Fibres creuses à double gaine dédiées à la micro-endoscopie non-linéaire

Double clad hollow core fibers for nonlinear micro-endoscopy

• Auteur / Autrice : Dylan Septier
• Direction : Alexandre Kudlinski, Géraud Bouwmans
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux dilués et optique fondamentale
• Date : Soutenance le 16/11/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM)
• Jury : Président / Présidente : Serge Monneret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Esben Ravn Andresen, Guillaume Ducourthial
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Claire Schanne-Klein, Frédéric Louradour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers femtoseconde

Imagerie en autofluorescence

Optique non linéaire

Endoscopie

Fibres double gaine

Photonique

Mots clés libres

Micro-Endoscopie

Fibre optique à coeur creux

Photonics

Fiber optics

Micro-Endoscopy

Endoscopy

Imaging

Résumé

Cette thèse présente le développement d'un micro-endoscope non-linéaire flexible et fortement multimodal. Il est basé sur une fibre optique à cœur creux à courbure négative qui rend possible le déport d'impulsions très courtes et intenses pour une gamme étendue de longueurs d'onde, sans distorsion temporelle ni spectrale significative. Une large double gaine de silice, guidant grâce à une fine couche de polymère de bas indice, entoure la microstructure et permet de collecter et contre-propager les signaux non-linéaires par la même fibre que la transmission du signal source. Afin de diminuer grandement la taille du mode en sortie de fibre, son extrémité distale est fonctionnalisée soit par l'insertion d'une bille de silice dans son cœur, soit par la soudure d'une fibre à gradient d'indice. Une surface large de plusieurs centaines de microns est scannée grâce à un tube piezo-électrique doublement résonant attaché à la fibre et donnant lieu à un profil en spirale. En plus d'un micro-objectif, il est inséré dans un tube métallique bio-compatible de 3~mm de large, formant une tête endoscopique compacte. Des images endsocopiques de tissus biologiques, dont des échantillons frais et non marqués, sont démontrées pour la première fois en utilisant la fluorescence par absorption à trois photons (3PEF), mais également la fluorescence par absorption à deux photons (2PEF), la génération de seconde (SHG) ou troisième (THG) harmonique, et la dispersion cohérente Raman anti-Stokes (CARS). Ce système est actuellement en cours de commercialisation par Lightcore Technologies. Une nouvelle méthode de séparation des signaux d'excitation et de collection est également proposée, basée sur un coupleur de fibre creuse à double gaine. L'utilisation de deux verres différents rend la fabrication possible, même avec une étape de fusion, sans affecter la microstructure creuse de la fibre. Des performances jusqu'à 70~% du système utilisé actuellement sont mesurées et des images de tissus biologiques non marqués sont obtenues, démontrant les possibilités d'application pour l'endoscopie non-linéaire.

This thesis presents the development of a highly multimodal flexible nonlinear micro-endoscope. It is based on a negative curvature hollow core fiber, allowing the delivery of ultrashort and intense optical pulses over a wide spectral band without significant temporal nor spectral distortion. A large silica double clad, guiding via a thin layer of low index polymer, surrounds the microstructure and enables the nonlinear signals to be collected and back propagated through the same fiber as the excitation source. The fiber distal tip is functionalized by addition of either a silica bead inserted into its hollow core or a graded index fiber spliced to its endface, allowing to significantly reduce the mode size at the fiber output. Scanning over an area of several hundreds of microns is provided by a doubly resonant piezoelectric tube attached to the fiber tip to create a spiral scan. Along with a fixed objective, it is encased inside a 3~mm large bio-compatible steel tube, making for a compact endoscope head. Endoscopic imaging of biological tissues, including fresh and unlabeled samples, is demonstrated for the first time using three photon excited fluorescence (3PEF), as well as two photon excited fluorescence (2PEF), second (SHG) and third (THG) harmonic generation, and coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS). This system is currently commercialized by Lightcore Technologies. A new scheme is also proposed for the separation of excitation and collection signals, based on a hollow-core double clad fiber coupler. Two different glass materials are used, making the fabrication possible, even with a fusion step, without affecting the hollow microstructure. Performances up to 70~% of the currently used scheme are measured, and images of unstained biological tissues are presented to demonstrate its applicability in nonlinear endoscopy.