Développement de nouvelles sources lasers pour l'imagerie acousto-optique

Devlopment of new laser sources for acousto-optic imaging

• Auteur / Autrice : Elio Thellier
• Direction : François Balembois
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Lasers
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Institut d'Optique

Mots clés

Mots clés libres

Amplificateur laser

Pompage par LED

Laser aux ions de transition métallique

Laser amplifier

LED pumping

Transition metal ions laser

Résumé

L'imagerie acousto-optique permet de voir à travers des milieux biologiques fortement diffusants. Elle utilise des ondes ultrasonores d'échographie pour marquer des photons lors de leur passage sous l'émetteur ultrasonore, en décalant leur fréquence. Ce marquage est détecté par holographie après traversée du milieu diffusant. L'imagerie acousto-optique est aujourd'hui limitée en profondeur de pénétration par l'absence de sources lasers adaptées: en plus de l'accordabilité dans la fenêtre thérapeutique (700 nm-900 nm), il faut une forte puissance crête (100 W), un spectre très fin (<10 MHz), et un fonctionnement inhabituel en régime quasi-continu (100 Hz, 100 µs). Cette source laser est un véritable challenge. Le Laboratoire Charles Fabry (LCF) a inventé récemment une nouvelle source de pompage optique, porteuse de ruptures pour les lasers : le concentrateur de lumière pompé par LED. Ce nouvel objet en Ce:YAG collecte massivement les rayonnements émis par des milliers de LED bleues et les transforme par processus d'absorption-émission en une lumière de couleur ambre très énergétique, ''concentrée'' spatialement. Le spectre d'émission (550-650 nm) est parfaitement adapté au pompage de milieux laser largement accordables dans l'infrarouge proche comme l'alexandrite, le saphir dopé au titane ou le Cr:LiSAF. Le concentrateur pompé par LED produit maintenant une puissance de pompe suffisante pour qu'un système laser repousse de deux ordres de grandeur (mm->10 cm) la limite de pénétration de l'imagerie acousto-optique dans les milieux diffusants. Le but de la thèse est de réaliser de nouvelles sources laser pompées par concentrateur qui répondront aux besoins de l'imagerie acousto-optique, de les implémenter dans l'instrument imageur acousto-optique et de participer aux premières mesures. Ce travail se fera en collaboration avec l'Institut Langevin (ESPCI) et le Laboratoire de Physique des Lasers (LPL - Université Sorbonne Paris Nord) qui sont des spécialistes de ce type d'imagerie.

Acousto-optic imaging makes it possible to see through strongly scattering biological media. It uses ultrasound waves to mark photons as they pass under the ultrasound emitter, by shifting their frequency. This shift is detected by holography after passing through the diffusing medium. Acousto-optic imaging is today limited in depth of penetration by the absence of suitable laser sources: in addition to tunability in the therapeutic window (700 nm-900 nm), high peak power is required (100 W), a very fine spectrum (<10 MHz), and an unusual operation in quasi-continuous mode (100 Hz, 100 µs). This laser source is a real challenge. The Charles Fabry Laboratory (LCF) recently invented a new source of optical pumping, bringing breakthroughs for lasers: the LED-pumped light concentrator. This new object in Ce:YAG massively collects the radiation emitted by thousands of blue LEDs and transforms it by process of absorption-emission into a very energetic amber-colored light, ''focused'' spatially. The emission spectrum (550-650 nm) perfectly suits for pumping broadly tunable laser media in the near infrared such as alexandrite, titanium-doped sapphire or Cr:LiSAF. The LED-pumped concentrator now produces sufficient pump power for a laser system to push back the limit of penetration of acousto-optic imaging in scattering media by two orders of magnitude (mm->10 cm). The aim of the thesis is to realize new concentrator-pumped laser sources that will meet the requirements of acousto-optic imaging, to implement them in the acousto-optic imaging instrument and to participate in the first measurements. This work will be done in collaboration with the Langevin Institute (ESPCI) and the Laboratory of Laser Physics (LPL - University Sorbonne Paris Nord) which are specialists in this type of imaging.