Microscopie et spectroscopie de phase. Développements en diffusion Raman cohérente (CRS) et en thermo-plasmonique

Phase microscopy and spectroscopy for Coherent Raman Scattering (CRS) and Thermoplasmonics

• Auteur / Autrice : Pascal Berto
• Direction : Hervé Rigneault, Serge Monneret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique et Traitement d’image
• Date : Soutenance le 28/01/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Cognet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Rigneault, Serge Monneret, Sophie Brasselet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Plasmons

Spectroscopie Raman

Microscopie

Optique non linéaire

Mots clés libres

Optique non-linéaire

Microscopie

Spectroscopie

Raman

CARS

SRS

CRS

Analyse de front d'onde

Thermo-plasmonique

Nanoparticules

Non-linear Optics

Microscopy

Spectroscopy

Raman

CARS

SRS

CRS

Wavefront sensing

Thermoplasmonics

Nanoparticles

Résumé

La microscopie par diffusion Raman cohérente anti-Stokes (CARS) est une technique de spectro-imagerie qui permet de cartographier les modes vibrationnels intra-moléculaires d'un échantillon biologique, sans nécessité de marquage préalable. La mesure CARS est cependant dégradée par un "fond non-résonant" qui détériore le contraste. Récemment, la microscopie par diffusion Raman stimulée (SRS) fut proposée comme une alternative à la microscopie CARS, permettant d'obtenir une imagerie "sur fond noir". Dans cette thèse, nous décrivons le développement d'un microscope SRS. Nous évaluons le caractère spécifique des contrastes CARS et SRS dans le cadre d'une application biomédicale concrète, à savoir la détection de mélanomes humains. Nous présentons une description exhaustive des phénomènes physiques pouvant conduire à des artéfacts de mesure en SRS. Nous proposons finalement une technique basée sur l'utilisation de trois faisceaux d'excitation à trois couleurs, permettant de supprimer ces artéfacts. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la microscopie CARS en configuration plein champ. Nous proposons une méthode permettant de supprimer le fond non-résonant. Celle-ci est basée sur une analyse de front d'onde du champ anti-Stokes. En guise d'ouverture, nous proposons une technique - toujours basée sur l'analyse de front d'onde - permettant de réaliser la spectroscopie d'absorption quantitative de nano-objets. Nous illustrons le potentiel de cette technique en réalisant des mesures sur des matrices de nanoparticules d'or et sur des nanoparticules uniques.

Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) microscopy is a technique that can map the spatial distribution of intra-molecular vibrational modes of a biological sample. This method thus provides molecular specificity, without staining the sample. However, CARS signal is hampered by a "non-resonant background" which reduces the contrast. Recently, Stimulated Raman Scattering (SRS) microscopy has been proposed as an alternative to CARS microscopy because it is a background free method. In this thesis, we describe the development of a SRS microscope. We evaluate the specificity of CARS and SRS contrasts in a concrete biomedical application, the detection of human melanomas. We present a comprehensive description of the physical phenomena that can lead to artifacts in SRS microscopy. We show that the scattering properties of the sample can lead to artifacts. We propose a technique based on three excitation beams of different color which suppresses these artifacts. In the second part, we focus on CARS microscopy in a wide-field configuration. We implement a technique to remove the non-resonant background. This method is based on wavefront sensing of the anti-Stokes Field by quadriwave lateral sharing interferometry (QWLSI). We demonstrate that the measurement of the intensity and phase of the complex CARS field allows to retrieve the spontaneous Raman scattering spectrum. As a perspective, we propose a technique, still based on wavefront sensing by QWLSI, to achieve quantitative absorption spectroscopy of nano-objects. We illustrate the potential of this technique by performing measurements on arrays of gold nanoparticles and on single nanoparticles.