Titre de l'invention : Dispositif de microscopie CARS multiplex

Domaine technique :

[0001 ] La présente invention se rapporte au domaine de la microscopie CARS multiplex.

Technique antérieure :

[0002] La microscopie à diffusion Raman anti-Stokes cohérente (CARS pour Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) est une technique d’analyse qui est notamment utilisée dans le domaine de l’imagerie et de la spectroscopie pour identifier et localiser des espèces chimiques spécifiques au sein d’un échantillon. Un grand avantage de cette technique est que les échantillons n'ont pas besoin d'être marqués avec des colorants parfois toxiques et qu’il est alors possible de faire des études in vivo. Par rapport à la microscopie Raman conventionnelle et à la microscopie Raman confocale, qui sont très largement connues et développées, la microscopie CARS permet d'obtenir un signal d’intérêt plus intense de plusieurs ordres de grandeur, de mieux supprimer les effets secondaires gênants et de séparer plus facilement la lumière détectée de la lumière d'éclairage. La spectroscopie Raman confocale conventionnelle nécessite un trou de détection (pinhole) pour obtenir une bonne résolution spatiale, ainsi qu'un spectromètre à haute résolution. Le CARS, en revanche, est un processus optique non linéaire (processus de mélange à quatre ondes) qui ne nécessite pas de pinhole et qui a une résolution spatiale qui est au mieux de l’ordre du tiers de la longueur d’onde d’utilisation.

[0003] Dans un processus de diffusion Raman stimulé, une onde pompe de pulsation û) _P incidente, sur une molécule, est diffusée inélastiquement en une onde dite Stokes de pulsation OJ _S et une onde dite Anti-Stokes de pulsation OJ _AS . L’écart en fréquence entre les ondes générées et l’onde pompe dépend de la pulsation vibrationnelle moléculaire de l’échantillon (de fréquence DR) de telle sorte que CÜP - CÜS = CÜAS - wp = DR. Le décalage en fréquence des ondes Stokes et Anti- Stokes correspond à une fréquence de vibration spécifique d’une molécule et cela à partir du niveau fondamental. La microscopie CARS, consiste à forcer l’excitation d’une liaison chimique spécifique par différence de fréquence. La figure 1A est un diagramme schématique des niveaux d'énergies mis en jeux dans un processus CARS. Le niveau fondamental est noté GS, l’état supérieur d’énergie électronique excité est noté EE et le niveau vibrationnel excité du mode Raman résonant avec une fréquence de résonance C _R est noté Vib. A la différence du processus spontané de diffusion inélastique Raman, ce processus d’optique non linéaire de diffusion Raman stimulé n’est possible qu’en utilisant deux ondes distinctes notées ondes pompe à a> _p et Stokes à OJ _S et qui vérifient cop-cos = CR ■ Ces ondes doivent se recouvrir spatialement et temporellement. Il se produit alors un mélange à quatre ondes qui conduit à l’émission stimulé d’une onde Anti-Stokes de pulsation CÜ _A S = 2CÜ _P -CÜS. Ce phénomène est beaucoup plus efficace (ce gain se situe autour de 10 ⁶ ) que le processus de diffusion Raman spontanée Stokes car la vibration moléculaire Vib est spécifiquement forcée à vibrer par différence de fréquence UJ _P -UJ _S . Il est d’autre part sélectif car, il est possible de cibler la liaison chimique d’intérêt en ajustant la différence de fréquence UJ _P -UJ _S . Comme l’absorption à deux photons, le CARS est un processus multiphotonique (il utilise deux photons de la pompe à wp et un photon Stokes à CÜS) qui est d’autant plus probable que les champs optiques sont forts. Le CARS requiert donc, en général, l’utilisation de lasers impulsionnels et, se produit de manière plus favorable, au foyer d’un l’objectif de microscope qui sert à focaliser les champs pompe et Stokes dans l’échantillon.

[0004] La figure 1 B illustre un exemple de dispositif de microscopie CARS à large bande spectrale connu de l’art antérieur. Par « CARS large bande spectrale >> (ou CARS multiplex), on entend que le dispositif permet de sonder l’échantillon avec un faisceau sonde qui est un supercontinuum, qui possède un nombre très important (>20) de longueurs d’onde distinctes les unes des autres. Le dispositif comprend une source laser LS impulsionnelle émettant à la fréquence OJ _P . Une portion du rayonnement de la source LS est utilisée pour générer un supercontinuum à partir de o) _p , par exemple dans une fibre optique PCF multimode, de manière à générer un faisceau Stokes FSo comprenant une multitude de fréquences afin de sonder différentes liaisons chimiques chacune caractérisée par une fréquence vibrationnelle avec une fréquence 1 _R propre. Par « génération de supercontinuum >>, on entend ici un procédé consistant à élargir spectralement un faisceau initial pour obtenir une puissance répartie de manière sensiblement homogène sur une gamme de longueurs d’onde d’environ 1000 nm ou plus. Par exemple, le supercontinuum est généré par un ou plusieurs effets non linéaires, d’ordre deux ou d’ordre trois, parmi la liste non exhaustive suivante : automodulation de phase, modulation de phase croisée, effet Raman stimulé, mélange paramétrique à quatre ou trois ondes, instabilité de modulation, propagation solitonique, auto-décalage soliton .... Une ligne à retard DL prélève une portion FPo du rayonnement de la source LS afin de former le faisceau de pompe à a) _p . Ces deux faisceaux FPo et FSo sont spatialement recombinés et synchronisés à l’aide d’une lame séparatrice LS et de deux miroirs MR1 , MR2, les deux étant déplaçables et orientables. Ils sont alors focalisés par un objectif de microscope MO sur une région de l’échantillon Ech. Le faisceau anti-Stokes généré STK par effet Raman stimulé résonant est collimaté par un autre objectif CL puis détecté par un photodétecteur Det (une caméra CCD ou un tube photomultiplicateur) typiquement combiné avec un spectromètre afin de séparer spatialement les longueurs d’onde du faisceau anti-Stokes. Dans l’illustration de la figure 1 B, le dispositif de l’art antérieur comprend plusieurs miroirs optionnels MR2, M1 , M2 pour des raisons de compacité.

[0005] Ce dispositif permet d’analyser la signature Raman d’un échantillon sur une très large gamme spectrale. En modifiant la position de l’échantillon Ech par rapport au point focal des faisceaux FSo et FPo, par exemple via un porte échantillon piézo-électrique SH, il est possible de cartographier l’échantillon en 3D et ainsi de reconstruire des images tridimensionnelles.

[0006] Ce dispositif de la figure 1 B est satisfaisant. Cependant, il nécessite d’utiliser la ligne à retard DL afin de synchroniser temporellement le faisceau de pompe FPo avec le faisceau Stokes FSo. En effet, dans la microscopie CARS, les fibres qui engendrent le supercontinuum sont utilisées en régime de dispersion normal pour induire une génération des longueurs d’onde supérieures à la longueur . 2TTC d’onde de pompe À. _p = —, avec c la célérité de la lumière dans le vide. De manière connue, cette conversion non linéaire complexe utilisant l’effet Raman stimulé, déplète fortement la longueur d’onde de pompe _p . La puissance restante à _p n’est alors plus suffisante pour générer l’effet Raman stimulé dans l’échantillon. Cependant, l’utilisation d’une ligne à retard permet d’eviter, à une partie de l’onde de pompe, d’être déplétée du fait de l’utilisation d’un chemin optique different de celui qui généré le supercontinuum. Ainsi une partie de l’onde pompe est préservée des distorsions induites lors de la génération du supercontinuum.

[0007] L’utilisation de cette ligne à retard est contraignante car cela diminue la compacité du dispositif et complexifie son utilisation. En effet, la présence d’une ligne à retard nécessite un alignement et une synchronisation précis entre le faisceau de pompe FPo et le faisceau Stokes FSo au niveau de l’échantillon.

[0008] L’invention vise à s’affranchir de cet inconvénient avec un dispositif de microscopie CARS multiplex avec une fibre utilisée, pour la génération du supercontinuum, en régime de dispersion anormal afin de ne pas complètement dépléter l’impulsion pompe initiale générant le supercontinuum.

Résumé de l’invention :

[0009] A cet effet, un objet de l’invention est un dispositif de microscopie CARS multiplex pour analyser un échantillon comprenant :

- une source laser adaptée pour émettre un faisceau primaire présentant une première longueur d’onde _lt sous la forme d’impulsions (IL1 ) avec une puissance dite primaire ;

- une fibre optique présentant moins de dix modes, lesdites impulsions se propageant dans la fibre optique (F) en régime de dispersion anormal pour générer, à partir du faisceau primaire, un faisceau de sortie (FSC) présentant une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde formant un supercontinuum, et ladite première longueur d’onde les deuxièmes longueurs d’onde étant générées par conversion non linéaire de la première longueur

- un système optique adapté pour focaliser le faisceau de sortie sur ledit échantillon, de manière à générer un faisceau anti-Stokes par effet Raman stimulé induit par au moins une des deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde présentes dans le faisceau de sortie ; - un photodétecteur adapté pour détecter le faisceau anti-Stokes.

[0010] Selon un mode préféré de l’invention, la fibre optique est adaptée pour qu’une puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde soit supérieure ou égale à 10%, préférentiellement 20%, de la puissance primaire.

[0011 ] Selon un mode préféré de l’invention, la fibre optique est une fibre monomode à gaine microstructurée.

[0012] Selon un mode préféré de l’invention, la fibre optique présente une longueur d’onde de dispersion nulle _{ZDW i} associée à chaque i-ème mode, ladite première longueur étant supérieure à toutes les longueurs d’onde de dispersion nulle _{ZDW i} d’au moins 10 nm.

[0013] Selon un mode préféré de l’invention, le dispositif comprend un amplificateur agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie en amont de l’échantillon et adapté pour amplifier sélectivement la puissance du faisceau de sortie à la première longueur De manière préférentielle, l’amplificateur comprend une fibre amplificatrice avec un cœur dopé avec des éléments en terre rare, ladite fibre amplificatrice étant accolée, ou soudée ou couplée à une extrémité aval de la fibre optique. De manière encore préférentielle, la fibre amplificatrice est pompée par des deuxièmes longueurs d’onde du faisceau de sortie qui sont inférieures à la première longueur d’onde Alternativement, la fibre amplificatrice est pompée par une portion (PB) du faisceau primaire.

[0014] Selon un mode préféré de l’invention, la conversion non linéaire comprend l’auto-décalage par effet Raman de solitons générés par la propagation de chaque impulsion au sein de la fibre optique.

[0015] Selon un mode préféré de l’invention, le dispositif comprend un filtre spectral dit amont agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie en amont de l’échantillon et adapté pour filtrer spectralement des longueurs d’onde inférieures à la première longueur d’onde. De manière préférentielle, le dispositif comprend un processeur adapté pour analyser une information fréquentielle du faisceau anti-Stokes détecté par le photodétecteur, le filtre spectral amont (SF) étant contrôlable et adapté pour filtrer de plus une gamme spectrale du faisceau de sortie en fonction de ladite information fréquentielle. [0016] Selon un mode préféré de l’invention, le dispositif comprend un filtre spectral dit aval agencé sur le trajet optique du faisceau anti-Stokes et adapté pour filtrer le faisceau de sortie se co-propageant avec le faisceau anti-Stokes. De manière préférentielle, le filtre amont est adapté pour filtrer spectralement un intervalle de longueurs d’onde supérieures à la première longueur d’onde.

[0017] Selon un mode préféré de l’invention, la fibre optique est adaptée pour avoir une longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle pour un mode fondamental de la fibre optique, ladite longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle étant séparée de plus de 3500 cm-1 par rapport à la première longueur d’onde ₁ .

[0018] Un autre objet de l’invention est une méthode de microscopie CARS multiplex pour analyser un échantillon (Ech) avec un dispositif comprenant une fibre optique (F) présentant moins de dix modes, pour analyser un échantillon (Ech), ladite méthode comprenant les étapes suivantes :

- générer un faisceau primaire (FP) présentant une première longueur sous la forme d’impulsions (IL1 ) avec une puissance dite primaire ;

- générer, à partir du faisceau primaire, un faisceau de sortie (FSC) présentant une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde formant un supercontinuum (SC), et ladite première longueur d’onde  ₁₇ les deuxièmes longueurs d’onde étant générées par conversion non linéaire de la première longueur d’onde dans la fibre optique (F), lesdites impulsions se propageant dans la fibre optique (F) en régime de dispersion anormal ;

- focaliser le faisceau de sortie sur ledit échantillon, de manière à générer un faisceau anti-Stokes (STK) par effet Raman stimulé induit par au moins une des deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur présentes dans le faisceau de sortie ; détecter le faisceau anti-Stokes. Brève description des figures :

[0019] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :

[0020] Fig.1 A, une vue schématique du processus énergétique CARS

[0021 ] Fig.1 B, une vue schématique d’un dispositif de microscopie CARS multiplex de l’art antérieur,

[0022] Fig.2, un dispositif de microscopie CARS multiplex selon l’invention,

[0023] Fig.3, un dispositif de microscopie CARS multiplex selon un mode de réalisation de l’invention,

[0024] Fig.4, un dispositif de microscopie CARS multiplex selon un mode de réalisation de l’invention,

[0025] Fig.5A, un dispositif de microscopie CARS multiplex selon un mode de réalisation de l’invention,

[0026] Fig.5B, un dispositif de microscopie CARS multiplex selon un mode de réalisation de l’invention,

[0027] Fig.5C, la densité spectrale de puissance d’une impulsions IL2 du faisceau de sortie FSC en sortie de la fibre F (courbe C1 ) et après filtrage par le filtre SF (courbe C2),

[0028] Fig.6A, le profil temporel de plusieurs composantes spectrales d’une impulsion laser IL2 en sortie de fibre F, dans un mode de réalisation de l’invention

[0029] Fig.6B, le profil temporel d’une impulsion laser à 1064 nm d’environ 1.5 ns et de puissance crête 10 kW au cours de sa propagation dans une fibre monomode de type HI980 avec un cœur en silice dans un régime de dispersion normal,

[0030] Fig.7, le décalage Raman 1 _R construit à partir du spectre du faisceau anti- Stokes à a) _AS = ü _R + a) ₁ détecté par le dispositif de l’invention pour un échantillon de paraffine

[0031 ] Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle.

Description détaillée : [0032] La figure 2 illustre schématiquement un dispositif 1 de microscopie CARS multiplex selon l’invention, pour analyser un échantillon Ech.

[0033] Le dispositif 1 comprend une source laser LS impulsionnelle adaptée pour émettre un faisceau primaire FP sous la forme d’impulsions laser IL1 avec une puissance dite primaire et présentant une première longueur d’onde = —, également dénommé longueur d’onde de pompe, avec c la vitesse de la lumière dans le vide. Par « puissance des impulsions >> on entend ici puissance crête. Les impulsions laser IL1 sont des impulsions nanosecondes (ns), picosecondes (ps) ou femtosecondes (fs). Dans le cadre de la présente description, une impulsion nanoseconde est une impulsion de durée comprise entre 1 et 100 ns, une impulsion picoseconde est une impulsion de durée comprise entre 1 et 100 ps et une impulsion femtoseconde est une impulsion de durée comprise entre 1 et 100 fs. La cadence des impulsions laser est comprise par exemple entre 0,1 et 100 MHz. La puissance des impulsions laser est par exemple comprise entre 5 kW et 10 MW. Compte tenu de la durée des impulsions laser IL1 , la première longueur d’onde doit être considérée comme la longueur d’onde centrale de l’impulsion laser IL1 . On note Aroj la largeur spectrale des impulsions IL1 .

[0034] Selon un mode de réalisation, la source laser LS est un oscillateur laser à fibre optique dopée dans un matériau donné. La fibre optique dopée de la source laser LS est par exemple une fibre optique constituée d’un matériau luminescent donné (verre ou matrice vitreuse), dopé avec un matériau. Le matériau de dopage est un matériau optiquement actif, c'est-à-dire que, sous excitation (par exemple par des lasers de pompe internes à la source LS), ce matériau émet une lumière cohérente à une longueur d’onde donnée.

[0035] Selon un mode de réalisation, le matériau de dopage est un ion, par exemple un ion de terre rare. La terre rare est par exemple le néodyme (de symbole chimique Nd), l’ytterbium (de symbole chimique Yb), le praséodyme (de symbole chimique Pr), l’erbium (de symbole chimique Er), le thulium (de symbole chimique Tm), l’holmium (de symbole chimique Ho), ou tout autre élément fluorescent soluble dans la matrice vitreuse constituant la fibre, comme par exemple le bismuth (de symbole chimique Bi). La première longueur d’onde dépend du matériau de dopage de la fibre optique dopée de la source laser. [0036] Selon un mode de réalisation, la source laser LS est un oscillateur laser fibré à verrouillage de modes en phase. Un tel verrouillage des modes longitudinaux de l’oscillateur laser d’injection permet d’obtenir des impulsions picosecondes ou femtosecondes. D’autres types de lasers, par exemple un laser de type « gain switch >> permettent également d’obtenir des impulsions picosecondes.

[0037] Le dispositif 1 de l’invention comprend une fibre optique F dans laquelle sont injectées les impulsions IL1 délivrées par la source LS, par exemple à l’aide d’un coupleur à fibre optique CF. La fibre F présente moins de dix modes spatiaux et présente une longueur d’onde de dispersion nulle _{ZDW i} associée à chaque mode i, le mode fondamental correspondant ici à i=0. Ces longueurs d’ondes _{ZDW i} sont déterminées par calculs numériques en fonction de la structure de la fibre et des matériaux composant la fibre F. Par exemple, la fibre utilisée est une fibre monomode à saut d’indice comme une fibre HI980, ou encore une fibre à cœur solide à gaine microstructurée.

[0038] Par « longueur d’onde de dispersion nulle _{ZDW i} » de la fibre F, on entend la longueur d’onde pour laquelle la dispersion du retard de groupe est nulle pour ce mode spatial i.

[0039] Dans la description, la dispersion est dite « anormale >> pour toute longueur d’onde supérieure à toutes les  _{ZD K £} , se propageant dans la fibre F et la dispersion est dite « normale >> pour toute longueur d’onde inférieure à toutes les ^■zDw.i se propageant dans la fibre.

[0040] Un paramètre de contrôle des longueurs d’onde _{ZDW i} est notamment l’aire modale de la fibre F. Plus l’aire modale de la fibre F est petite, plus les longueurs d’onde _{ZDW i} diminuent. Pour une fibre à cœur en silice avec une gaine microstructurée, le diamètre du cœur sera de typiquement 3-4 m pour une longueur d’onde A _ZDW à environ 1000 nm pour le mode fondamental.

[0041] Dans l’invention, les impulsions IL1 se propageant dans la fibre optique F en régime de dispersion anormal, car on choisit la source laser LS et la fibre F de sorte que la première longueur d’onde des impulsions IL1 soit supérieure aux longueurs d’onde  _ZDiy£ . La fibre optique F est adaptée pour générer, à partir du faisceau primaire FP, un faisceau de sortie FSC présentant à la fois la première longueur d’onde et une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde formant un supercontinuum SC, les deuxièmes longueurs d’onde étant générées par conversion non linéaire de la première longueur d’onde Le faisceau de sortie FSC présente des impulsions IL2 formées à partir des impulsions IL1 .

[0042] De manière connue, dans le régime de dispersion anormal et dans le régime de dispersion normal, le processus de génération de supercontinuum de part et d’autre de X comprend les phénomènes suivants : l’automodulation de phase, la modulation de phase croisée, le mélange paramétrique à quatre ondes, l’effet Raman stimulé.

[0043] Les inventeurs ont observé que, dans un régime de dispersion anormal, le processus de génération du supercontinuum déplète la longueur d’onde de pompe de manière bien moins importante que dans un régime de dispersion normale (voir notamment la description des figures 6A et 6B plus loin).

[0044] Dans le régime de dispersion normal, en plus des phénomènes précités, le mécanisme d’effet Raman stimulé contribue de manière très importante à la déplétion de la première longueur d’onde X et à la génération du supercontinuum aux longueurs d’onde supérieure à

[0045] Dans la fibre optique non linéaire de l’invention, en régime de dispersion anormal, en plus des phénomènes précités, une instabilité modulationelle se produit lors de la propagation des impulsions IL1 qui va structurer temporellement ces impulsions de manière à créer une pluralité de solitons. Ces solitons vont alors s’autodécaler par auto-décalage solitonique par effet Raman (soliton selffrequency shift en anglais). Ce décalage fréquentiel est différent pour chaque soliton. Les deuxièmes longueurs d’onde générées ainsi sont strictement supérieures à la première longueur d’onde À-i à partir de laquelle elles sont générées par la diffusion Raman stimulée, qui est à l’origine de l’auto-décalage fréquentiel des solitons dans la fibre. Le Raman stimulé a un effet dissipatif en terme d’énergie lumineuse. En vertu du principe de conservation de l’énergie totale, les deuxièmes longueurs d’onde ne peuvent pas être inférieures à la longueur d’onde initiale A-|. Ce phénomène d’auto-décalage est prédominant sur les autres phénomènes dans un régime de dispersion anormal pour la génération de deuxième longueurs d’onde supérieure à ₁ . [0046] De manière connue, l’auto-décalage solitonique par effet Raman provoque une dérive continue de la fréquence centrale de l’impulsion solitonique par un échange d’énergie avec les phonons du milieu que forme le cœur de la fibre optique. Au travers de cette interaction lumière-matière inélastique un photon de longueur d’onde X _a , c’est-à-dire d’énergie E _a = hc/X _a , où h est constante de Planck, est absorbé par le milieu matériel. Un second photon à une énergie inférieure E _b < E _a est émis par le milieu Raman à une longueur d’onde plus grande Æ _b > X _a . La différence d’énergie, ou défaut quantique, est transmise au milieu matériel sous la forme d’une particule correspondant à une vibration acoustique du milieu matériel, ou phonon. On note Av=c/X _a -c/X _b le décalage fréquentiel entre les deux photons mis en jeu. Lors de l’interaction au travers de l’effet Raman entre le milieu matériel et une impulsion ultra-brève de spectre fréquentiel large, la partie du spectre de l’impulsion pour Av > 0 est absorbée tandis que la partie du spectre de l’impulsion à Av < 0 est amplifiée. Cela correspond à un glissement du spectre de l’impulsion vers les basses fréquences, c’est-à-dire à un décalage du centre de l’impulsion vers les hautes longueurs d’onde.

[0047] Ce phénomène d’autodécalage solitonique par effet Raman est induit par le gain Raman pour chaque soliton et ne déplète donc pas complètement la pompe après la fission initiale de l’impulsion IL1 en solitons. Ce processus Raman stimulé en régime anormal de dispersion déplète beaucoup moins l’onde pompe Ai que l’effet Raman stimulé en régime de dispersion normal. C’est pourquoi, dans l’invention, la fibre, via sa dispersion et via sa longueur, est adaptée en fonction de la puissance des impulsions IL1 pour qu’une puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde soit non négligeable par rapport à la puissance primaire des impulsions. Plus précisément, la fibre est suffisamment courte pour que la puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde Ai soit supérieure ou égale à 10%, préférentiellement 20% de la puissance primaire au niveau du centre de l’impulsion.

[0048] Le décalage des solitions (donc les deuxièmes longueurs d’onde À ₂ ) est fonction de la longueur de la fibre F, de la dispersion, et de la puissance crête des impulsions en entrée de la fibre F. Plus la fibre F est longue, plus il est possible d’obtenir un décalage fréquentiel important (et donc un supercontinuum large). A longueur de fibre fixe, plus la puissance crête des impulsions sont élevées, plus il est possible d’obtenir un décalage fréquentiel important (et donc un supercontinuum large). Dans l’invention, pour des impulsions de 1 ps et de puissance crête 135 kW, et pour une fibre à cœur en silice avec une gaine microstructurée, la longueur de la fibre fait environ 1 m.

[0049] Dans l’invention la fibre optique F présente moins de 10 modes car au-delà, les interférences intermodales détruisent le profil spatial du faisceau qui n’est plus utilisable. On observe alors la création d’un speckle en sortie de fibre.

[0050] Contrairement aux dispositifs de CARS multiplex de l’art antérieur (voir figure 1 B), compte tenu de la puissance non négligeable du faisceau de sortie à la première longueur d’onde  ₁₇ le dispositif 1 de l’invention ne nécessite pas de ligne à retard pour synchroniser une portion du faisceau primaire avec le faisceau de sortie sur l’échantillon. Grâce à la synchronisation temporelle naturelle entre les deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde en sortie de fibre F (voir figure 6A) il est possible d’utiliser uniquement le faisceau de sortie pour générer un effet Raman stimulé dans l’échantillon Ech. Pour cela, le dispositif 1 comprend un système optique MO adapté pour focaliser le faisceau de sortie sur l’échantillon. Le système optique MO est préférentiellement un objectif de microscope de focale f _M0 , de préférence à forte ouverture numérique (NA~1 .5). Le faisceau de sortie focalisé sur l’échantillon génère un faisceau anti- Stokes STK par effet Raman stimulé induit par au moins une des deuxièmes longueurs d’onde supérieures à et la première longueur d’onde  ₁₇ toutes les deux présentes dans le faisceau de sortie FSC. Les j e [1, V] deuxièmes longueurs d’onde  _2j - du faisceau FSC constituent donc les longueurs d’onde de sonde. Les photons du faisceau FSC à la première longueur d’onde sont suffisamment nombreux pour induire l’effet Raman stimulé dans l’échantillon Ech. Ainsi, un ou plusieurs niveaux vibrationnels des modes Raman résonant de l’échantillon Ech sont excités à une ou plusieurs fréquences de résonance ^R,j = et le faisceau anti-Stokes présente une ou plusieurs fréquences

(A) _AS J = Les longueurs d’onde anti-stokes _AS =

2nc/a) _AS j sont donc inférieures à ₁ . En fait, dans le dispositif 1 , le faisceau de sortie FSC constitue à la fois le faisceau pompe (via la première longueur d’onde Ai) et le faisceau sonde (via les deuxièmes longueurs d’onde supérieures à A- des dispositifs de l’art antérieur.

[0051] Le dispositif comprend un photodétecteur Det connu de l’homme de l’art et adapté pour détecter le faisceau anti-Stokes typiquement combiné avec un spectromètre afin de séparer spatialement les longueurs d’onde du faisceau anti- Stokes avant leur détection. Le photodétecteur est typiquement un tube photomultiplicateur, une caméra CCD ou encore une photodiode à avalanche.

[0052] Grâce à un fonctionnement de la fibre F en régime de dispersion anormal, le dispositif de l’invention n’utilise pas de ligne à retard pour transporter le faisceau de pompe jusqu’à l’échantillon de manière synchronisé avec le faisceau sonde afin d’induire l’effet Raman stimulé multiplex dans l’échantiillon. Cela augmente la compacité du dispositif et simplifie grandement son utilisation.

[0053] Dans le mode de réalisation illustré dans la figure 2, le faisceau anti-Stokes est collecté « vers l’avant >> (signal F-CARS) par le photodétecteur. De manière préférentielle, dans ce mode de réalisation le dispositif 1 comprend un objectif de collection CL (Ouverture numérique ~0.5) pour collimater le faisceau anti-Stokes avant sa détection, permettant ainsi une grande distance de travail (voir figures 3- 5B).

[0054] Alternativement, selon un autre mode de réalisation, le faisceau anti-Stokes est collecté vers l’arrière (signal E-CARS) par l’objectif MO. Dans ce mode de réalisation, le dispositif 1 comprend alors un miroir dichroïque pour séparer spatialement le faisceau anti-Stokes et le faisceau de sortie FSC incident sur l’échantillon avant de pouvoir le détecter avec le phodétecteur Det.

[0055] De manière préférentielle, comme illustré en figure 2, le dispositif 1 comprend un porte échantillon SH adapté pour déplacer l’échantillon dans l’espace tridimensionnel, afin de cartographier l’échantillon en 3D et ainsi de reconstruire des images tridimensionnelles.

[0056] Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, la première longueur d’onde A est supérieure à toutes les longueurs d’onde de dispersion nulle A _{ZDW i} d’au moins 10 nm afin d’obtenir un décalage progressif des impulsions solitoniques plus important. Cette caractéristique permet d’obtenir un spectre plus large dans le faisceau de sortie. [0057] Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, la fibre optique est une fibre monomode à gaine microstructurée, avec une unique longueur d’onde de dispersion nulle _ZDW et éventuellement présentant un cœur dopé avec des éléments en terre rare. L’utilisation d’une fibre monomode permet d’augmenter la densité de puissance dans le cœur de la fibre et d’obtenir un élargissement spectral plus important pour une puissance de pompe donnée.

[0058] La figure 3 illustre une vue schématique en perspective d’un mode de réalisation du dispositif 1 . En plus des éléments détaillés dans la description de la figure 2, le dispositif du mode de réalisation de la figure 3 comprend un filtre spectral dit amont SF agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie FSC en amont de l’échantillon Ech et adapté pour filtrer spectralement des longueurs d’onde inférieures à la première longueur d’onde. De préférence, le filtre SF est adapté pour que le faisceau FSC filtré ne comprenne que la première longueur et des deuxièmes longueurs d’onde supérieures à utiles pour la génération du faisceau anti-Stokes. Ce filtre amont SF permet de plus facilement identifier les longueurs d’onde du faisceau anti-Stokes qui sont induites par l’effet Raman stimulé, ces longueurs d’onde A _AS étant nécessairement inférieures à de par la nature même de ce phénomène.

[0059] En outre, le dispositif du mode de réalisation de la figure 3 comprend un filtre spectral dit aval SF’, optionnel, agencé sur le trajet optique du faisceau anti- Stokes STK et adapté pour filtrer le faisceau de sortie se co-propageant avec le faisceau anti-Stokes ayant traversé l’échantillon. Le filtre SF’ transmet uniquement le faisceau anti-Stokes qui est à des longueurs d’onde A _AS = 2TICI(Ù _AS inférieures à A . Ces longueurs d’onde étant les longueurs d’onde qui sont pertinentes pour l’analyse de l’échantillon Ech.

[0060] Structurellement, les filtres SF et SF’ sont des éléments connus de l’homme de l’art et sont par exemple des filtres de couleur, ou sont chacun formés par un réseau de diffraction couplé à un miroir déformable ou couplé avec un modulateur spatial de lumière contrôlable pour sélectionner les longueurs d’onde à transmettre ou non.

[0061] Dans le dispositif de la figure 3, le faisceau anti-Stokes filtré par le filtre SF’ est couplé - par le biais d’un ensemble de couplage SCA comprenant une lentille de focalisation et un coupleur à fibre - dans une fibre optique de détection transportant le faisceau jusqu’au photodétecteur Det. Ces éléments permettent une plus grande stabilité du dispositif.

[0062] Le dispositif de la figure 3 comprend en outre deux miroirs optionels M1 , M2 pour des raisons de compacité et un objectif de collection CL (par exemple : NA-0.5), pour collimater le faisceau anti-Stokes permettant ainsi une grande distance de travail pour la détection.

[0063] La figure 4 illustre un mode de réalisation du dispositif de la figure 3. Dans ce mode de réalisation, le filtre spectral amont est adaptatif en fonction du signal anti-Stokes détecté. Pour cela, le dispositif 1 comprend un processeur adapté pour analyser une information fréquentielle du faisceau anti-Stokes détecté par le photodétecteur via typiquement un spectromètre. De plus, le filtre spectral amont SF est contrôlable et adapté pour filtrer, en plus de certaines longueurs d’onde inférieures à Â ₁₇ une gamme spectrale du faisceau de sortie en fonction de l’information fréquentielle analysée par le processeur. Le contrôle du filtre SF se fait par le biais d’une boucle de rétroaction BR.

[0064] Selon une première variante, le filtre SF du dispositif de la figure 4 transmet uniquement une gamme spectrale pertinente pour l’analyse d’un échantillon Ech prédéterminé en plus de la première longueur d’onde. Cela permet une analyse plus rapide de l’échantillon.

[0065] Selon une deuxième variante, le filtre SF du dispositif de la figure 4 permet une amélioration de la résolution spectrale du dispositif. Théoriquement, la résolution spectrale du dispositif devrait être fixée par la largeur spectrale de l’impulsion IL1 , Ao»!. Cependant, à cause notamment de l’automodulation de phase contribuant à l’élargissement spectral de l’impulsion IL1 en sortie de la fibre F, la résolution du dispositif est susceptible d’être supérieure à Ar -L. Pour améliorer la résolution spectrale, en plus des longueurs d’onde inférieures à Ai, le filtre SF filtre un intervalle de longueurs d’onde directement supérieures à la longueur d’onde pour réduire la largeur spectrale du faisceau de pompe, cette dernière fixant la résolution spectrale du dispositif. On note que l’utilisation d’un filtre SF sans contrôle par rétroaction et filtrant les longueurs d’onde directement supérieures à la longueur d’onde pour réduire la largeur spectrale du faisceau de pompe -en plus de longueurs d’onde inférieures à est compatible avec le mode de réalisation de la figure 3.

[0066] La figure 5A illustre schématiquement un mode de réalisation du dispositif de la figure 4. En plus des éléments détaillés dans la description de la figure 4, le dispositif de la figure 5A comprend un amplificateur Amp agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie en amont de l’échantillon et adapté pour amplifier sélectivement la puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde Ai. Ce mode de réalisation permet de partiellement ou totalement compenser la diminution de la puissance à la longueur d’onde due à la génération du supercontinuum et ainsi obtenir un signal anti-Stokes plus intense. On rappelle que l’intensité I _AS du faisceau anti-Stokes est proportionnel à faisceau FSC à respectivement et à la deuxième longueur d’onde, avec N le nombre de molécules résonantes de l’échantillon au focus du faisceau FSC et la susceptibilité Raman du troisième ordre de la molécule de l’échantillon. L’intensité du faisceau est donc primordiale pour un bon rapport signal sur bruit.

[0067] Selon un mode de réalisation préféré de l’invention notée MP, l’amplificateur Amp comprend une fibre amplificatrice avec un cœur dopé avec des ions en terre rare. De manière connue en soi, cette fibre amplificatrice est pompée pour produire une inversion de la population en ions de terre rare et ainsi, selon le principe de l’émission stimulée, permettre l’amplification du faisceau de sortie à la première longueur d’onde. Cette fibre amplificatrice est accolée, ou soudée ou couplée à une extrémité aval de la fibre optique F. Dans le faisceau de sortie FSC, la puissance à la première longueur d’onde X est trop faible pour induire un supercontinuum dans la fibre amplificatrice, la puissance de pompe est donc uniquement utilisée pour « régénérer >> ou amplifier le faisceau de sortie spécifiquement à la première longueur d’onde. Pour cela, l’élément dopant du cœur est choisi en fonction de X . Par exemple, pour Ai = 1064 nm, il est possible d’utiliser une fibre avec un cœur en silice dopé avec des ions Nd3+.

[0068] Selon une première variante du mode MP, la fibre amplificatrice dopée est pompée par des deuxièmes longueurs d’onde du faisceau de sortie qui sont inférieures à la première longueur d’onde X . Cette première variante est avantageuse car elle permet une utilisation efficace des deuxièmes longueurs d’onde inférieures à la première longueur d’onde qui sont indésirables pour la détection du faisceau anti-Stokes et qui serait filtrées par le filtre SF sinon. La mise en oeuvre d’un tel dispositif est très simple et consiste à souder un bout de fibre amplificatrice (par exemple de 50 cm) à la sortie de la fibre non linéaire. Ainsi, une partie de la puissance des impulsions IL1 utilisée pour générer les deuxièmes longueurs d’onde inférieures est « recyclée >> et permet une amplification du faisceau FSC à ₁ .

[0069] Par exemple, dans le cas où l’ion de terre rare est l’erbium, les deuxièmes longueurs d’onde à environ 980 nm permettent de pomper la fibre amplificatrice. Dans le cas où l’ion de terre rare est le néodyme, les deuxièmes longueurs comprises entre 730-760 nm et/ou comprises entre 790-820 nm permettent de pomper la fibre amplificatrice. Ainsi, pour une source laser LS qui est un laser Nd- YAG à Ai = 1064 nm, les deuxièmes longueurs d’onde précitées sont inférieures à Ai et sont recyclées.

[0070] Dans les modes de réalisation où la source laser LS comprend au moins une fibre optique avec un cœur dopé avec des ions aux terres rares, il est préférable d’utiliser les mêmes ions que ceux permettant l’émission de la longueur d’onde

[0071] Selon une deuxième variante du mode MP, illustrée en figure 5B, la fibre amplificatrice est pompée par une portion PB du faisceau de pompe utilisé pour engendrer, par effet laser, la longueur d’onde primaire . Cette deuxième variante est moins avantageuse que la première variante car elle diminue la compacité du dispositif mais permet d’augmenter le gain de l’amplificateur

[0072] Alternativement, selon un autre mode de réalisation différent du mode MP, l’amplificateur n’est pas une fibre optique amplificatrice dopée mais un amplificateur de type régénératif multipassages dans un milieu solide comme du yag dopé néodyme, ou alexandrite, ou encore saphir dopé titane. Selon des modes de réalisation différents, l’amplificateur est pompé par des deuxièmes longueurs d’onde du faisceau de sortie qui sont inférieures à la première longueur d’onde A _1; ou par une portion PB du faisceau primaire de la source LS ou des lasers de pompe (non représentés en figure 5A). Le choix du milieu solide amplificateur est effectué en fonction de la première longueur d’onde de manière à ce que l’amplification soit sélective à cette longueur d’onde. Par exemple, pour = 1064 nm, il est possible d’utiliser un cristal de Nd ⁺³ :YAG. Ce cristal produit un rayonnement fin spectralement et permet un remodelage de la largeur du faisceau à X lors de l’amplification.

[0073] Il est entendu que la boucle de rétroaction BR et le filtre SF’ sont optionnels dans le mode de réalisation MP.

[0074] La figure 5C est une représentation de la densité spectrale de puissance d’une impulsion IL2 du faisceau de sortie FSC respectivement en sortie de la fibre F (courbe C1 ) et après filtrage par le filtre SF (courbe C2). Ces courbes sont obtenues sans amplification. A titre d’exemple non limitatif, les courbes C1 et C2 sont obtenues pour le dispositif de la figure 3, pour des impulsions IL1 à une longueur d’onde = 1064 nm avec une puissance crête de 10 kW et une durée d’impulsion de 750 ps. Le supercontinuum observé avec la courbe C1 est obtenu dans une fibre F microstructurée non dopé à profil d’indice rectangulaire, monomode transverse avec une longueur d’onde X _ZDW à 1000 nm et un diamètre de cœur de 4 pm. La courbe C2 est obtenue après filtrage des deuxièmes longueurs d’onde inférieures à 1000 nm. On rappelle que, dans la courbes C1 , les longueurs d’onde inférieures à X sont obtenues principalement par mélange paramétrique à quatre ondes et les longueurs d’onde supérieures à X sont obtenues par autodécalage par effet Raman des solitons. Cet autodécalage permet d’alimenter le spectre vers les hautes longueurs d’onde tout en laissant une partie de l’énergie sur place, créant ainsi un supercontinuum.

[0075] La courbe C1 illustre que, la génération du supercontinuum dans la fibre F permet d’obtenir un faisceau FSC avec une puissance à X qui n’est pas déplétée et qui est suffisamment puissante pour servir d’onde de pompe pour obtenir l’effet Raman stimulé dans l’échantillon.

[0076] La courbe C2 illustre l’effet du filtrage passe-bas qui permet de générer un faisceau FSC filtré qui ne comprend quasiment aucune puissance aux longueurs d’onde inférieures à 1000 nm, précisément là où la signature CARS de l’échantillon -via le faisceau anti-Stokes- sera présente. Les deuxièmes longueurs d’onde supérieures à sont nécessaires pour sonder les liaisons chimiques de l’échantillon Ech.

[0077] La figure 6A illustre le profil temporel de plusieurs composantes spectrales d’une impulsion laser IL2 en sortie de fibre F. A titre d’exemple non limitatif, ces profils sont obtenues pour le dispositif de la figure 3, avec une longueur d’onde qui vaut 1064 nm et les impulsions IL1 ont une durée de 750 ps et de puissance crête de 10 kW. Ces courbes sont obtenues sans amplification. La fibre F est une fibre monomode microstructurée non dopé à profil d’indice rectangulaire, avec une longueur d’onde _ZDW et un diamètre de cœur de 4 pm et une longueur de 2 m. Les courbes 61 -64 sont décalées verticalement pour plus de lisibilité et sont normalisées à la même échelle. La courbe 61 correspond au profil temporel de l’impulsion IL2 à la longueur d’onde ₁ . Les courbes 62, 63 et 64 correspondent au profils temporels des impulsions IL2 à des longueurs d’onde de respectivement  ₂ = 1200 nm,  ₂ = 1300 nm et  ₂ = 1500 nm. Malgré une légère structuration temporelle due aux effets non linéaires lors de la propagation dans la fibre, la courbe 61 illustre clairement que la longueur d’onde n’est pas déplétée dans l’impulsion IL2. De plus, la figure 6A permet d’illustrer la synchronisation temporelle naturelle des différentes longueurs d’onde  ₂ avec la longueur d’onde dans le faisceau FSC en sortie de fibre F. Cette synchronisation temporelle est critique pour obtenir l’effet Raman stimulé dans l’échantillon Ech et pour générer le faisceau anti-Stokes STK.

[0078] La figure 6B illustre le profil temporel d’une impulsion laser à 1064 nm d’environ 1 .5 ns et de puissance crête 10 kW au cours de sa propagation dans une fibre monomode de type HI980 avec un cœur en silice dans un régime de dispersion normal. Dans cette fibre, la longueur d’onde A _ZDW se situe au alentour de 1300 nm. La courbe 61 ’ correspond au profil de l’impulsion initiale, la courbe 62’ correspond au profil de l’impulsion à 1064 nm après propagation dans 1 m de fibre et la courbe 63’ correspond au profil de l’impulsion à 1064 nm après propagation dans 1.5 m de fibre. Notamment, comme le montre la courbe 63’, la partie centrale de l’impulsion est quasiment complètement déplétée Ces courbes permettent d’observer la déplétion de la longueur d’onde de pompe induite par l’effet Raman stimulé lors de la propagation dans la fibre non linéaire en régime normal de dispersion. [0079] La comparaison des figures 6A et 6B illustre bien que l’autodécalage Raman en régime de dispersion anormal déplète notablement moins la longueur d’onde centrale de l’impulsion initiale que l’effet Raman stimulé en régime de dispersion normal pour des paramètres clés similaires (longueur de fibre, puissance et durée d’impulsion initiale).

[0080] La figure 7 illustre le décalage Raman 1 _R construit à partir du spectre du faisceau anti-Stokes à OJ _AS = _R + détecté par le dispositif de l’invention pour un échantillon de paraffine. Ce spectre est obtenu avec les paramètres suivant : une puissance primaire de 10 kW, une impulsion IL1 de durée 750 ps, et une fréquence de répétition laser de 20 kHz. Notamment, le faisceau anti-Stokes comprend 4 pics à des fréquences Raman 1 _R1 = -2925 cm" ¹ , 1 _R2 = . Ces pics sont respectivement caractéristiques des modes : d’étirement symétrique CH ₂ , étirement symétrique CH ₃ , de courbure CH ₂ et mode de torsion CH ₂ .

[0081] La figure 7 démontre donc expérimentalement la faisabilité du CARS multiplex avec le dispositif de l’invention, sans utiliser de ligne à retard pour synchroniser une portion du faisceau primaire avec le faisceau de sortie sur l’échantillon Ech.

[0082] Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, la fibre optique est adaptée pour avoir une longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle pour un mode fondamental de la fibre optique, la longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle étant séparée de plus de 3500 cm-1 par rapport à la première longueur d’onde ₁ . Cette caractéristique permet de limiter la largeur spectrale du supercontinuum générée par la fibre à des deuxièmes longueurs d’onde supérieures à la première longueur d’onde qui sont pertinentes pour l’étude de l’échantillon, sans avoir à le faire en limitant la longueur de la fibre. En effet, pour le mode fondamental, l’auto-décalage par effet Raman est stoppé lorsque le soliton est décalé à une longueur d’onde  ₂ égale à la longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle. Ainsi, le fait que la longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle soit séparée de plus de 3500 cm’ ¹ par rapport à la première longueur d’onde permet d’obtenir un supercontinuum qui s’étend sur plus de 3500 cm’ ¹ depuis la première longueur d’onde, pour des deuxièmes longueurs d’onde supérieures à la première longueur d’onde ₁ . En réalité, dans les longueurs d’onde  ₂ supérieure à la largeur du supercontinuum sera légèrement supérieure à la séparation entre la longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle et à cause des effets non linéaires autres que l’auto- décalage par effet Raman.