Façonnage rapide de front d'onde pour la microscopie non linéaire en profondeur

par Baptiste Blochet

Thèse de doctorat en Optique

Sous la direction de Sylvain Gigan et de Laurent Bourdieu.

Le président du jury était Alexandra Fragola.

Le jury était composé de Sophie Brasselet.

Les rapporteurs étaient Alain Barthélémy, Emmanuel Beaurepaire.


  • Résumé

    Les principales techniques de microscopie de fluorescence sont fondamentalement limitées pour imager en profondeur par la diffusion de la lumière qui atténue exponentiellement la quantité de photons balistiques utilisés pour imager avec la profondeur. Les techniques de microscopie non linéaire permettent néanmoins de dépasser le millimètre dans le meilleur des cas, in vivo. Elles restent fondamentalement limitée par deux effets : par la réduction de la fluorescence émise au focus à cause de la décroissance exponentielle des photons balistiques mais aussi par l’augmentation de la fluorescence hors focus. Cependant, il a été démontré que l’utilisation, en amont du milieu, de modulateurs spatiaux de lumière associée à des techniques de façonnage de front d’onde permet de compenser partiellement la diffusion de la lumière en refocalisant les photons diffusés. Néanmoins, mettre en pratique la correction de la diffusion pour l’imagerie in vivo nécessite l’utilisation conjointe de modulateurs de lumière rapides, de détecteurs rapides et d’une électronique rapide afin de corriger le front d’onde dans le temps de stabilité du milieu biologique. Nous avons donc développé, au cours de cette thèse, deux systèmes de façonnage du front d’onde rapides ; l’un basé sur une technologie MEMS et l’autre sur des déflecteurs acousto-optiques couplés à un laser à bas taux de répétition. Nous avons étudié les performances (gain de focalisation, vitesse) de ces deux systèmes pour focaliser à travers des milieux diffusants dynamiques. Nous avons démontré qu’à travers des milieux présentant des séquences de diffusion avec des stabilités très variées le focus obtenu est plus stable qu’attendu. Dans un deuxième temps, nous avons couplé un système de façonnage du front d’onde à un microscope non linéaire pour compenser en épi-détection la diffusion et donc améliorer les images obtenues en profondeur. Cette étude ouvre une voie originale pour l’imagerie biphotonique en très grande profondeur.

  • Titre traduit

    Wavefront shaping for ultra-deep non-linear microscopy


  • Résumé

    Fluorescence microscopy cannot image very deep due to multiple light scattering which decreases exponentially the amount of ballistic photons used for image recovery. In the best case, non-linear microscopy can image around one millimeter in depth in vivo. It remains fundamentally limited by two effects: by the reduction of the fluorescence emitted at the focus because of the exponential decay of the ballistic photons, and by the increase of out of focus fluorescence. Recently, wavefront shaping techniques combined with spatial light modulators have enabled to partially compensate scattering and therefore focus scattered photons inside or through a complex media. Yet, applying these techniques to in vivo imaging requires the use of fast spatial light modulators, fast detectors, and fast electronics able to compensate for the short stability time of biological tissues. In this thesis, we have developed two fast wavefront shaping systems; one based on a MEMS technology and the other on acousto-optical deflectors time locked on the output laser pulses of a regenerative amplifier. We then studied the performances (enhancement, speed) of such systems to focus through dynamic scattering media. We have shown that, through media presenting scattering sequences with a very large time stability distribution, the focus obtained can be more stable than expected. In a second serie of experiments, we coupled a wavefront shaping system to a nonlinear microscope to compensate scattering in epi-detection and thus improve the images obtained in depth (resolution and signal level). This study provides an original way for two-photon imaging at unprecedented depth.


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