SYstèmes DIscrets et Micro Endoscopie Non linéaire – SYDIMEN

Contexte scientifique et objectifs du projet. Le projet est relatif à l'instrumentation pour l'imagerie biologique et médicale à l'échelle cellulaire. Cette imagerie à haute résolution inclue l'anatomie pathologique, et implique des microscopes optiques conventionnels, ou de type confocal très répandus en recherche biologique. Ces derniers sont volumineux et imposent de travailler in vitro (cultures, explants, biopsies) ou sur le petit animal anesthésié. Le microscope confocal est donc mal adapté à l'imagerie in vivo et encore plus inadapté à l'imagerie in situ. Très récemment est apparue une nouvelle architecture de microscope à base de guide d'image à fibre optique multicoeur. Il repose sur l'illumination séquentielle successive de chacun des cœurs qui achemine alors la lumière d'éclairement jusqu'à la zone à observer. La lumière retournée par l'échantillon (par réflexion ou fluorescence) est collectée sans sélection confocale par l'ensemble du guide d'image et reconduite vers un détecteur. Le balayage des différents cœurs permet d'enregistrer les informations sur les différents points du champ objet et un traitement numérique reconstruit point par point l'image recherchée. Le dispositif est flexible car la fibre longue de un mètre environ est de diamètre inférieur au millimètre. Une tête optique constituée de micro-optiques autorise des changements de résolution et de champ d'observation, l'imagerie en surface ou en profondeur. Ce type original de micro-endoscope, par sa flexibilité et sa petite taille, permet à l'échelle cellulaire l'observation rapide, non invasive et répétée sur des animaux vivants, et différentes applications sont envisagées par exemple pour l'étude de modèles animaux de pathologies humaines. Ce projet se propose de faire évoluer la microscopie endoscopique pour l'adapter à l'imagerie multiphotonique. En effet, ces derniers temps, la microscopie confocale classique a étendu son potentiel grâce à l'emploi d'excitations laser ultra brèves et aux techniques multiphotoniques telles que la fluorescence par excitation à deux photons, le doublage ou triplage de fréquence, etc…Les avantages principaux sont : un fonctionnement naturellement confocal par principe, une meilleure pénétration dans les tissus pour une imagerie plus profonde, un rapport signal à bruit amélioré, et un endommagement minimal des tissus. Adapter la microscopie endoscopique à fibre à l'imagerie multiphotonique pose de sévères problèmes liés à l'acheminement d'impulsions lasers infrarouges de très faible durée et de forte puissance crête. Le principal d'entre eux est l'apparition d'effets non linéaires optiques de type Kerr. La conséquence est qu'en extrémité de guide d'image soit les impulsions sont très allongées soit leur puissance est maintenue très faible ce qui dans les deux cas conduit à une excitation multiphotonique peu efficace. Description du projet, méthodologie. Dans ce projet nous proposons d'employer un guide d'image particulier et de recourir à un régime de propagation très spécifique dit de « diffraction discrète » pour éclairer les tissus biologiques avec de fortes puissances crêtes mais de faibles puissances moyennes en évitant le régime de propagation non linéaire. L'idée repose sur i) la fabrication d'une fibre avec un réseau régulier 2D de guides compacts faiblement couplés, ii) l'excitation cohérente d'un ensemble de guides dont le couplage lors de la propagation conduira à ramener l'énergie sur un cœur unique en sortie. La distribution spatiale sur plusieurs cœurs à l'entrée conduira à reculer significativement le seuil du régime non linéaire et à augmenter l'efficacité d'excitation multiphotonique des tissus. Les guides spécifiques seront dimensionnés puis fabriqués et testés. Les régimes de diffraction discrète y seront mis en évidence et analysés de manière cohérente. Un montage de mise en forme approprié sera construit. Il servira à démontrer les phénomènes de focalisation discrète et de ré-imagerie discrète avec une source laser continue puis en régime femtoseconde. Un dispositif de balayage sera alors ajouté pour permettre le déplacement de l'excitation sur toute la section à imager. On cherchera enfin à démontrer le potentiel de la méthode pour de l'imagerie multiphotonique d'objets biologiques et à en dégager les usages les plus pertinents. Résultats attendusLe projet vise : 1- à acquérir la maîtrise de la fabrication de guides d'image métriques et de fibres optiques multicoeurs de très petites dimensions 2- sur le plan fondamental à la première démonstration expérimental de l'effet de focalisation discrète dans un réseau 2D de guides optiques 3- à la réalisation finale d'un premier prototype complet de micro-endoscope pour l'imagerie non linéaire à fibre « discrète ». La répartition de la puissance à transmettre sur plusieurs guides d'entrée doit permettre de gagner au moins un ordre de grandeur par rapport aux limites actuelles de puissance crête.