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Des lasers à fibres optiques pour l’imagerie dans le moyen-infrarouge

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            <title>Des lasers à fibres optiques pour l’imagerie dans le moyen-infrarouge</title></titles>
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6 Z REE N°3/2017 LES GRANDS PRIX 2016 DE LA SEELES GRANDS PRIX 2016 DE LA SEE Aperçu général Les lasers ultrarapides émettant des impulsions ultrabrèves, de durée in- férieure à une picoseconde, trouvent de plus en plus d’applications dans leseure à s ene picosecon maines du micro-usinage [1] et de l’imagerie biologique [2]. Ces approchesdoma e bioloo-usinage [1] et d scientifiques ont profité du développement industriel des lasers femtosesc ndustriefité du développem - condes titane-saphir à 800 nm dans les années 1980 puis des lasers femtos 1980 p800 nm dans les a - secondes à base d’ytterbium opérant autour de 1 μm [3], à partir des annéesutou e 1 μm [3],um opérant auto 2000, et ont progressivement intégré le marché industriel. De nouvelleségré le marché indus Deent intégré applications en biologie voire en médecine pourraient bénéficier de lasersecine poourraient b cier dvoire e femtosecondes émettant à des longueurs d’onde dans le moyen infrarouge.d’ondede dans le en infrà des longueurs d’ond Par exemple, un laser femtoseconeconde à 1 700 permet d’imager des tissusperme mager desnm p à grande profondeur avec une résolution de l’ordre du micromètre [4]. Toure du m omètre [4olution de l’ordol - tefois, les terres rares usuelles ne luminescent pas dans la bande spectraledans laa bande spuminesc autour de 1 700 nm. De plus, les groupes moléculaires constituant les tissuses cononstituant leoupes moléculaires organiques présentent tous une signature caractéristique dans le moyen-e dans le n-ature caractéristique infrarouge entre 3 et 12 μm. La spectro-microscopie infrarouge combine leougouge com e lesmicroscopie infraro avantages de la microscopie optique et de la spectroscopie vibrationnellevibrati le pourctroscopie vde la produire des cartographies précises de la composition chimique dehimique des tissusla compo organiques. Cependant, la spectro-microscopie infrarouge à hauteà hautee résolutionscopie infrarouge spatiale ne peut, à ce jour, être réalisée qu’avec le rayonnement synchrotronmentt synchrotronavec le rayonnemen [5], ce qui bien sûr limite son usage clinique. Dans ce contexte, nous avons,e, nous avonDans ce contexte,iq développé des lasers femtosecondes à fibres optiques, versatiles en termeatileses en tetiques, versatifibres de longueur d’onde, nécessitant peu ou pas de maintenance et ouvrant unce et o nt unpas de mai champ d’applications scientifiques voire industrielles inédit dans le dodans lee domainedustrielles inédit spectral du moyen infrarouge. Limitations actuelles des lasers femtosecondes à fibres optiques La mise au point de sources de lumière aux longueurs d’onde danseurs d ans leière aux londe moyen infrarouge peut être basée sur l’exploitation de l’interaction non-de l’innteraction non-’exploitationasée s linéaire entre un rayonnement laser impulsionnel intense et le matériautensense et le matériaulsionnel intt laser constituant les fibres optiques. Ce rayonnement laser primaire peut êtreco er primaire peutement lases. Ce rayes op tenu dans des amplificateurs de puissance à fibres optiques dopées auxà fibresobte s optiques dopà fibress de puissampli s rares [6]. Ces systèmes sont déjà essentiels au fonctionnement desssentiels aterres r tsont déjà e. Ces sy es de télécommunications actuels [7] et transitent progressivement[7] et trsystème [7] et transitent progressivemons actuelstélécomm utres domaines. L’accroissement de la longueur d’onde laser versvers d’au nt de la longueur d’onde lasssementdomaines n-infrarouge appelle l’utilisation de terres rares comme l’Erappelle l’utilisatiole moyen on de terres rares commrarouge ap 3+ rr , le TmTmTm3+ ou l’Hoou 3+ uminescents autour de 1,55, des éléments lumin nts autour de 1es éléments ludes é μm, 1,95 μm et 2,05 μm respectivement. A ces longueurs d’onde, les dérives de fréquenceμm respectμ tivement. A ces longueur uites par la dispersion chromatique anormale et l’effet Kerr optique seinduit spersion chromatique anormale compensent pour donner naissance à des solitons. Ces impulsions sonter naissance à des (IW PEWIVW k ÁFVIW STXMUYIW TSYV P¸MQEKIVMI HERW PI QS]IRMRJVEVSYKI Le Prix Jean Jerphagnon honoreho re la mémoire et prolongelonge l’œprolongemémoire ge l’œuvre de Jean Jerphagnon, dénon, dJean Jerp décédé en 2005, qui mena une carrièremena un2005, qui remarquable dans le domaine dedans learquable d aine de l’optique et de la photola pque et del’o a photonique. a pour objectif de promouvoirbjectour objecIl a ctif de promouvoir ovation technologique et la diffun techl’innov chnologique et la di - e l’optique et de la photoniqueoptiqusion de l’ dde la photoniq t domaine d’application.domdans tout d maine d’application En témoignage de reconnaissance,nagEn témoignage de reconnaiss plusieurs structures se sont associéesstrucusieurs st uctures se son asso pour créer le Prix Jean Jerphagnoner le Pépour P i J n Jerphagn : émie des Teche desAcadémie Technologies, nt, Centre Nationalent,Alcatel-Lucennt, Centre Nation l de la Recherche Scientifique,chde la Recherchche Scientifiq e, France Télécom, Pôle de compétiticom,nce Télécom Pôle compétit -ii vité Images et Réseaux, Associationet Résvité x, Associati n csvalley, Société des ElectricienSociétéOpticsvalley des Electrici ns et des Electroniciens, Société Frannicienset des Electronicie s, Société Fr n- çaise d’Optique, Société Françaiseociéise d’Optique, Société Franç se de Physique, Pôle de compétitivde compysique, Pôle d ivité Systématic-Paris-Région, Thalegion, Thales. Sébastien Févrierrie Prix Jean Jerphagnon Enseignant à l’universitéà l’univ é de Limimoges Chercheur à Xlim, UMR CNRlim, UMR RS 7252 é é REE N°3/2017 Z 7 Des lasers à fibres optiques pour l’imagerie dans le moyen-infrarouge amplifiées puis comprimées et, rapidement, subissent une fission en composantes plus brèves et plus intenses. Le seuil d’apparition du bris d’onde est repoussé (et l’énergie emmagasinée accrue) lorsque le mode guidé présente une grande surface modale équivalente. De plus, lorsque les im- pulsions ultra-brèves (100 fs) résultant de la fission solito- nique se propagent sur plus de quelques centimètres, leurs composantes fréquentielles sont réarrangées par un second effet non-linéaire : la diffusion Raman stimulée intra-impul- sionnelle. Cet effet a pour conséquence de modifier conti- nûment, au cours de la propagation, la fréquence porteuse des sous-impulsions, c’est-à-dire, d’un point de vue appli- catif, d’accorder la longueur d’onde du rayonnement avec la distance de propagation. La fission solitonique a limité l’accroissement de la puissance crête à ~10 kW dans les systèmes simples à amplification directe fondés sur des fibres conventionnelles. Nous avons réalisé de nouveaux types de fibres optiques à grande surface modale équivalente pour repousser le seuil d’apparition de la fission solitonique dans les amplificateurs. Nous avons aussi mis à profit les effets non-linéaires pour produire, dans des architectures fibrées monolithiques inno- vantes, des impulsions ultra-brèves (< 100 fs) et de forte puissance crête (150 kW) à des longueurs d’onde inédites (1,7 μm) localisées entre les longueurs d’onde laser cou- rantes. Conception d’un laser femtoseconde de forte puissance dans le moyen infrarouge En collaboration avec deux laboratoires de renommée internationale de l’Académie des sciences de Russie, nous avons développé une nouvelle génération de fibres optiques dopées à l’Er3+ présentant une surface modale équivalente extrêmement grande (A ~ 250 h2 ) en aug- mentant le diamètre du cœur. L’accroissement du dia- mètre de cœur doit être accompagné de l’abaissement du contraste d’indice entre le cœur et la gaine afin de préserver un nombre de modes guidés faible (idéalement égal à 1) ce qui assure une qualité spatiale de faisceau optimale (le nombre de modes guidés augmente qua- dratiquement avec le rayon du cœur). La diminution du contraste d’indice est limitée technologiquement à 10-3 , ce que nous avons réussi à produire pour la première fois à notre connaissance dans une fibre très fortement dopée à l’Er3+ . En deçà de cette limite, la force du guidage ne permet plus de combattre efficacement les effets de la diffraction : le mode guidé devient extrêmement sensible à toute perturbation comme les macro et micro-courbures ou inhomogénéités locales d’indice de réfraction. Le cœur de cette fibre est basé sur une matrice P2 O5 - Al2 O3 -SiO2 qui permet, grâce à la forte proportion d’alumi- nium, d’éviter la formation d’agrégats d’Er3+ même à très forte concentration en erbium (5×1025 atomes/m3 ). Il est connu en effet que l’aluminium permet de solubiliser les agrégats d’Er3+ . Toutefois, l’ajout d’aluminium augmente l’indice de réfraction du cœur dans des proportions dé- sastreuses au regard de la qualité spatiale du faisceau. La matrice P2 O5 -Al2 O3 -SiO2 présente une propriété étonnante au regard des matrices Al2 O3 -SiO2 ou P2 O5 -SiO2 utilisées pour réaliser le matériau de cœur des fibres optiques : une proportion adéquate de phosphore et d’aluminium permet d’abaisser l’indice de réfraction de la matrice silice hôte alors que pris séparément ces deux éléments augmen- tent l’indice de réfraction de la silice [8]. Nos collègues de l’Académie des sciences de Russie ont réussi à utiliser cette propriété pour réaliser des fibres à grande surface modale [9]. Avec un contraste d’indice de l’ordre de 10-3 , nous avons pu réaliser une fibre dont le diamètre de cœur est de l’ordre de 35 à 40 μm en optimisant le profil d’indice, ce qui constituait alors un record mondial [10]. La sur- face modale équivalente de cette fibre est supérieure à 500 μm2 à 1,55 μm. Dans l’expérience récente décrite sur la figure 1a, le train d’impulsions picosecondes généré dans un oscilla- teur laser à verrouillage de modes en phase est ampli- fié directement dans une fibre dopée Er3+ de 40 μm de diamètre de cœur jusqu’à un niveau d’énergie par impul- sion de l’ordre de 30 nJ. Le profil d’indice de réfraction et la distribution d’intensité lumineuse calculée pour le mode fondamental de cette fibre sont représentés sur la figure 1b. Ces impulsions sont ensuite injectées dans une fibre optique non-linéaire correctement dimensionnée pour produire, après fission solitonique, un train d’impul- sions à 1 700 nm présentant une puissance moyenne de 550 mW, correspondant à une énergie par impulsion de 11 nJ pour une cadence de répétition de 50 MHz. La diffu- sion Raman intra-impulsionnelle au sein de la fibre non-li- néaire a permis de décaler la longueur d’onde centrale des impulsions jusqu’à 1 700 nm et de raccourcir la durée des impulsions à 75 fs, comme l’attestent les résultats de ca- ractérisation présentés sur la figure 1. Ces caractéristiques permettent d’estimer que la puissance crête de l’impulsion est de l’ordre de 150 kW. La fibre amplificatrice est soudée en amont à des combineurs pompe/signal commerciaux et, en aval, à la fibre non-linéaire permettant d’acheminer 8 Z REE N°3/2017 LES GRANDS PRIX 2016 DE LA SEE et de transformer le signal. Cette caractéristique confère à l’architecture laser globale son caractère monolithique, c’est-à-dire exempt de tout chemin d’air et d’éléments de réglage. Afin de tester l’applicabilité de ce type de laser à l’imagerie non-linéaire, le laser a été déplacé à l’Ecole polytechnique, dans le Laboratoire d’optique et biosciences (UMR Ecole polytechnique – CNRS – INSERM), dans l’équipe d’Emma- nuel Beaurepaire. Nos collègues ont mis au point un micros- cope spécifique dédié à l’imagerie multi-photonique sous excitation à 1 700 nm, schématiquement représenté sur la figure 1a. Dans ce microscope, les signaux générés dans le visible résultent de l’interaction entre trois photons du signal excitateur et la matière biologique, ce qui implique de dispo- ser de lasers femtosecondes de forte puissance crête à cette longueur d’onde. Figure 1 : a : Schéma du montage du laser (partie haute) et acheminement vers le microscope à trois photons (partie basse) – b : Profil d’indice de réfraction et distribution d’intensité lumineuse du mode fondamental de la fibre dopée Er3+ – c et d : Spectre et trace d’autocorrélation des impulsions issues du laser – e : Mesure du bruit d’amplitude aux basses fréquences montrant la bonne stabilité du train d’impulsions. Dans le schéma, THG et 3PEF signifient respectivement third harmonic generation (génération de troisième harmonique) et 3-photon excited fluorescence (fluorescence excitée à trois photons). REE N°3/2017 Z 9 Des lasers à fibres optiques pour l’imagerie dans le moyen-infrarouge Nous avons réussi à imager le développement d’un embryon de drosophile selon deux modalités de micros- copie à trois photons : la génération de troisième harmo- nique majoritairement présente au niveau des discontinuités d’indice comme les membranes plasmiques (figure 2, bleu) et la fluorescence excitée à trois photons (figure 2, rouge), favorisée dans notre expérience par le marquage des noyaux cellulaires avec une protéine fluorescente rouge (dTomato). Nous avons aussi vérifié que notre laser ne provoquait pas de dommages en observant le développement sain d’un embryon sur près d’une heure et demie. Cette imagerie per- met de confirmer que le laser à fibres que nous avons déve- loppé peut être utilisé pour l’imagerie multi-photonique de dernière génération. Des développements avec une société européenne sont maintenant en cours pour intégrer ce type de lasers dans des microscopes commerciaux [11]. Déclinaison du concept à d’autres longueurs d’onde Avec la société Novae, nous avons aussi développé de nouveaux lasers ultrarapides à la longueur d’onde de 2 μm pour le micro-usinage de polymères ou l’émission d’un rayonnement secondaire dans le moyen infrarouge. Novae, en collaboration avec Xlim, a décliné à 2 μm le concept utilisé pour générer des impulsions décalées en longueur d’onde par rapport la source primaire. Novae a ainsi conçu et fabri- qué un prototype de laser à 2,1 μm qui émet des impulsions d’une puissance crête supérieure à 100 kW. Ces lasers fem- tosecondes moyen-infrarouge de forte puissance sont très attendus. A l’instar de l’Ecole polytechnique fédérale de Lau- sanne (Suisse) qui vient de se doter d’un laser Novae, des laboratoires de renom en Europe ou aux Etats-Unis sont déjà demandeurs pour leurs propres recherches. Les lasers à 2 μm permettent d’ouvrir le domaine spectral du moyen infrarouge par conversion non-linéaire du rayon- nement dans des fibres optiques. Novae et Xlim ont réalisé un laser émettant un rayonnement dont la bande spectrale s’étend de 2 à 4 μm. Ce laser imite, dans cette gamme de longueur d’onde, le rayonnement synchrotron issu d’un accé- lérateur d’électrons comme SOLEIL construit à Palaiseau. En partenariat avec les chercheurs de la ligne de spectroscopie infrarouge SMIS du synchrotron SOLEIL, nous avons réalisé les premières images en spectro-microscopie à partir d’un laser avec une résolution spatiale de l’ordre de la longueur d’onde. L’application de la spectro-microscopie laser à la détection de cellules pathologiques a pu être démontrée. Jusqu’à maintenant ce type d’image à haute résolution ne pouvait être obtenu qu’avec le rayonnement synchrotron. Ceci rend bien sûr quasiment impossible ce type d’imagerie dans un contexte hospitalier alors que les praticiens et les patients pourraient en tirer un grand bénéfice, par exemple en simplifiant les procédures de biopsies. Afin de profiter au mieux du potentiel que recèle cette démonstration de principe, la société Novae propose maintenant une version commerciale du laser. Conclusions et perspectives Après 10 ans consacrés à la recherche de solutions inno- vantes pour la génération de rayonnements moyen-infra- rouges dans des fibres optiques, le laboratoire Xlim a réussi à développer et produire des lasers femtosecondes suffisam- ment stables et robustes pour ouvrir un champ d’applications inédit à l’imagerie optique moyen infrarouge. Les innovations issues de ces travaux de recherche ont aussi permis de créer la société Novae. Ensemble, nous avons récemment démon- tré que les lasers à fibre constituent une alternative viable pour l’imagerie microscopique multi-photonique et pour l’imagerie microscopique d’absorption vibrationnelle. Nous développons maintenant des architectures lasers pour explo- rer plus avant ce domaine spectral, tout en conservant les Figure 2 : Images superposées du développement d’un embryon de drosophile en génération de troisième harmonique (bleu) et fluorescence excitée à trois photons (rouge) à divers instants au cours du stade de la gastrulation (début de la morphogenèse) – a : début – b : 20 min – c : 35 min – d : 52 min – e : 67 min. Temps par pixel 27 μs. Images réalisée au Laboratoire d’optique et biosciences (UMR Ecole polytechnique – CNRS – INSERM). 10 Z REE N°3/2017 LES GRANDS PRIX 2016 DE LA SEE avantages qu’offre la propagation guidée pour le contrôle de la lumière, notamment en couplant des fibres optiques à des guides d’onde en arséniure de gallium en collaboration avec Thalès et III-V Lab au sein du projet BISCOT (Bright infrared supercontinuum source) soutenu par l’ANR dans le cadre du défi « stimuler le renouveau industriel ». Références [1] R. Gattass & E. Mazur, Femtosecond laser machining in transparent materials, Nature Photonics 2, 219-225 (2008). [2] W. Denk, J.H. Strickler and W.W. Webb, Two-photon laser scanning fluorescence microscopy, Science 248, 73-76 (1990). [3] M. Fermann & I. Hartl, Ultrafast fibre lasers, Nature Photonics 7, 868-874 (2013). [4] N.G. Horton, K. Wang, D. Kobat, C.G. Clark, F.W. Wise, C.B. Schaffer et C. Xu, In vivo three-photon microscopy of subcortical structures within an intact mouse brain, Nature Photonics 7, 205-209 (2013). [5] N. Jamin, P. Dumas, J. Moncuit, W.-H. Fridman, J.-L. Teillaud, G.L. Carr and G.P. Williams, Highly resolved chemical imaging of living cells by using synchrotron infrared microspectrometry. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, 4837- 4840 (1998). [6] E. Desurvire, Erbium-doped fiber amplifiers, Ed. Wiley- interscience ISBN 0-471-41903-6 (2002). [7] C.K. Kao, Nobel Lecture. Sand from centuries past: send future voices fast. Review of Modern Physics 82, 2299-2303 (2010). [8] D.J. Di Giovanni, J.B. MacChesney and T.Y. Kometani, Structure and properties of silica containing aluminum and phosphorus near the AlPO4 join, Journal of Non-Crystalline Solids 113, 58-64 (1989). [9] M.E. Likhachev, M.M. Bubnov, K. V. Zotov, D.S. Lipatov, M. V. Yashkov and A. N. Guryanov, Effect of the AlPO4 join on the pump-to-signal conversion efficiency in heavily Er- doped fibers, Optics Letters 34, 3355-3357 (2009). [10] L. Kotov, M. Likhachev, M. Bubnov, O. Medvedkov, D. Lipatov, A. Guryanov, K. Zaytsev, M. Jossent and S. Février, Millijoule pulse energy 100-nanosecond Er-doped fiber laser, Optics Letters 40, 1189-1191 (2015). [11] P. Cadroas, L. Abdeladim, L. Kotov, M. Likhachev, D. Lipatov, D. Gaponov, A. Hideur, M. Tang, J. Livet, W. Supatto, E. Beaurepaire and S. Février, All-fiber femtosecond laser providing 9 nJ, 50 MHz pulses at 1650 nm for three-photon microscopy, Journal of Optics 19, 065506 (2017). L’AUTEUR Sébastien Février est enseignant au département de physique de l’université de Limoges et chercheur au laboratoire Xlim. Ses travaux de recherche portent sur la mise au point de nouvelles sources lasers femtose- condes à fibres optiques. Sébastien Février a publié une cinquantaine d’articles dans des revues internationales et déposé six brevets licenciés à des start-ups ou des grands groupes. Il a cofondé en 2013 Novae, seule so- ciété européenne commercialisant des lasers ultrabrefs pour le moyen infrarouge.