Sources optiques fibrées pour la microscopie CARS – SOFICARS

Nous présentons un projet de recherche visant à développer et explorer les performances de sources lasers fibrées compactes et viables industriellement pour la microscopie CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering). Cette technique de microscopie optique permet de générer des images de liaisons chimiques dans un échantillon sans avoir recours à aucun marqueur fluorescent ni aucune préparation spéciale. Sont retenues dans ce projet des solutions fibrées utilisant l'auto-décalage fréquentiel Raman et le façonnage de la phase spectrale dans un continuum. Ces nouvelles approches présentent de nombreux avantages en termes de coût et de facilité d'utilisation par rapport aux solutions actuellement utilisées. Nous appliquons ces nouveaux outils à l'exploration de la peau et plus particulièrement à l'étude de l'hydratation pour des applications en cosmétique//Le marché des biotechnologies est demandeur de nouvelles techniques pour caractériser simplement les échantillons biologiques. La diffusion Raman stimulée anti-Stokes (CARS : Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) offre un moyen non destructif d'accéder aux différentes liaisons chimiques ainsi qu'à la conformation des molécules sans avoir recours à aucun marquage fluorescent ni aucune préparation des échantillons.
Nous proposons dans ce projet de développer une alternative viable aux sources CARS traditionnelles compliquées et onéreuses en exploitant les potentialités des fibres optiques non-linéaires et du façonnage d'impulsions. Nous mettrons en oeuvre deux techniques utilisant une seule source laser: la première est basée sur l'exploitation de la cohérence spectrale dans un supercontinuum et la deuxième sur l'auto-décalage fréquentiel Raman.
L'originalité de notre projet est triple :
- Tout d'abord nous proposons deux solutions techniques complètement nouvelles de réalisation de sources CARS fibrées. La faisabilité de ces approches est garantie car elle s'appuie sur des arguments ayant passé le cap de la preuve de faisabilité.
- Nous évaluons conjointement ces approches sur l'imagerie de la peau par microscopie CARS et plus particulièrement sur l'étude de son hydratation. Ceci dans une finalité industrielle de développement de nouveaux cosmétiques.
- L'objectif étant d'aboutir, au terme du projet, à une source CARS fibrée viable commercialement.

//Notre consortium est constitué de deux industriels et de trois laboratoires.
Amplitude Système est spécialisée dans la conception et la réalisation de systèmes laser et désire étendre ces produits à la microscopie multiphotonique et en particulier CARS. Elle construira les oscillateurs lasers et les modules fibrés nécessaires au projet.
L'Institut Fresnel est spécialisé dans le développement de systèmes et méthodes optiques pour étudier le vivant. Il maîtrise la technique CARS et construira une source utilisant un supercontinuum.
L'Institut Carnot de Bourgogne étudie depuis plusieurs années la propagation de solitons dans les fibres pour des applications télécom. Son apport dans ce projet concernera l'autodécalage Raman.
Le groupe optoélectronique de Femto ST modélise avec une grande précision la génération de continuum dans les fibres et définira les systèmes fibrés. L'Oréal utilisera la technique CARS et les nouvelles sources disponibles pour imager la peau et son hydratation.//Notre projet s'appuie en premier lieu sur la réalisation d'oscillateurs femtosecondes et de modules fibrés, ces deux livrables arrivent dans les premiers mois du projet. Leur livraison est garantie sur le savoir faire d'Amplitude Système (conception et fabrication de système lasers) et de Femto ST (modélisation des paramètres optimaux d'excitation des fibres). Ces premiers jalons technologiques laissent ensuite place à la mise en place des sources CARS fibrées proprement dites : L'Institut Carnot de Bourgogne fabriquant et caractérisant la source simplex CARS par auto-décalage Raman et l'Institut Fresnel le multiplex CARS à base d'un façonneur d'impulsions. Ces deux livrables arrivent au deux tiers du projet et constituent les points forts de notre projet de recherche. Ces deux nouvelles sources fibrées sont alors comparées à la source CARS standard disponible à l'Institut Fresnel (simplex CARS avec deux oscillateurs picoseconde). Cette source CARS standard aura été utilisée dès le début du projet pour acquérir des images de la peau et de son hydratation en relation avec des traitements cosmétiques. De ce point de vue, notre projet se propose (1) d'acquérir une connaissance nouvelle sur la pénétration de l'eau dans la peau suivant le produit cosmétique appliqué et (2) d'évaluer le potentiel des nouvelles sources CARS proposées sur ce type d'échantillon. Le but étant de proposer, en fin de projet, une solution fibrée CARS viable industriellement et appuyant sa performance par des résultats d'intérêts sur l'étude de la peau.
Les solutions alternatives à notre projet sont assez nombreuses.
Tout d'abord l'utilisation de la microscopie CARS pour la cosmétique est nouvelle et les résultats qui seront obtenus au cours de ce projet feront avancer la connaissance de ce tissu.
En ce qui concerne les solutions techniques proposées, l'auto-décalage Raman permettra de réaliser des sources accordables dans un domaine fréquentiel ou il existe actuellement peu de solutions. Par ailleurs, l'utilisation d'un continuum proposera également une méthode bas coût pour générer des longueurs d'ondes dans le visible et dans l'IR pour les applications en microscopie multiphotoniques. Ces travaux auront immanquablement des retombées sur l'industrialisation de sources compactes et fiables pour les biotechnologies.
Finalement il sera toujours possible de faire du multiplex CARS en recombinant le continuum avec le faisceau d'excitation initial tout en bénéficiant de la grande largeur spectrale du continuum.
//La propriété intellectuelle sera prise en compte dès le début du projet dans l'accord de consortium. Un document sera rédigé au début du projet présentant le savoir faire de chaque équipe et les apports en brevets de chacun. Les éventuels brevets durant le déroulement du projet seront déposés en partenariat entre les entreprises et les tutelles représentant les Laboratoires selon les règles en usage.