High-resolution wide-field coherent anti-stokes Raman scattering microscopy

• Auteur / Autrice : Eric Michele Fantuzzi
• Direction : Hervé Rigneault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Optique, photonique et traitement d'image
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France)
• Jury : Président / Présidente : Anne Sentenac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandro Heuke, Randy Alan Bartels
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Monika Ritsch-Marte, Andreas Zumbusch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Granularité (optique)

Ptychographie

Fourier, Optique de

Stokes, Théorème de

Spectroscopie Raman

Microscopie

Optique non linéaire

Mots clés libres

Imagerie

Microscopie non-linéaire

Stokes

Cars

Ptychographie

Speckle

Imaging

Nonlinear microscopy

Fourier optics

Cars

Ptychography

Speckle

Résumé

Deux types de microscopie non linéaire à grand champ sont proposés dans ce manuscrit. Le premier est appelé microscopie à illumination aléatoire à diffusion Raman cohérente anti-Stokes à grand champ (RIM-CARS) et combine l'illumination dynamique par speckle (DSI) et la microscopie à illumination aléatoire (RIM), avec la diffusion Raman cohérente anti-Stokes à grand champ (CARS). Nous montrons comment la théorie de la DSI peut être appliquée à la CARS. Nous présentons ensuite des simulations informatiques et des résultats expérimentaux. Différents types d'échantillons ont été analysés pour prouver la polyvalence de la technique. En outre, la CARS est combinée à la génération de fréquences additionnelles (SFG) pour montrer son applicabilité dans le domaine biomédical. La deuxième technique est appelée microscopie par ptychographie de Fourier et génération de seconde harmonique (FP-SHG). Elle combine la ptychographie de Fourier (FP) avec la microscopie SHG. La FP est à l'origine une technique linéaire capable de reconstruire une image haute définition d'un objet à partir de plusieurs images obtenues sous différents angles d'éclairage. L'avantage de combiner CARS/SHG avec FP provient de la fonction de transfert optique (OTF) différente qui caractérise ces deux techniques non linéaires par rapport à l'optique linéaire. L'OTF de CARS et SHG supporte un espace de fréquence plus large que les contrastes linéaires permettant ainsi d'obtenir plus d'informations, en particulier le long de l'axe z. Les algorithmes FP-CARS et FP-SHG sont présentés. Enfin, nous présentons un dispositif expérimental FP-CARS utilisé et présentons les premiers résultats expérimentaux

Two types of nonlinear wide-field microscopy are proposed in this manuscript. The first is called random illumination wide-field coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy (RIM-CARS) and combines dynamic speckle illumination (DSI) and random illumination microscopy (RIM), with wide-field coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS). We show how the theory of DSI can be applied to CARS. Both computational simulations and experimental results are then reported. Different types of samples were analyzed to prove the versatility of the technique. Furthermore, CARS is combined with sum frequency generation (SFG) to show its applicability in the biomedical field. The second technique is called Fourier ptychography second harmonic generation (FP-SHG) microscopy. It combines Fourier ptychography (FP) with SHG microscopy. FP originated as a linear technique capable of reconstructing a high-definition image of an object from several images obtained with different illumination angles. The advantage of combining CARS/SHG with FP stems from the different optical transfer function (OTF) that characterizes these two nonlinear techniques in comparison to linear optics. Indeed, the OTF of CARS and SHG supports a wider frequency space than linear contrasts (reflectance, fluorescence) thus allowing more information to be obtained, especially along the z-axis. FP-CARS and FP-SHG algorithms are presented. Finally, we present a FP-CARS experimental setup used and present the first experimental results