Optimisation rapide du front d’onde

L’optimisation du front d’onde peut être accélérée en diminuant le nombre de pulsations lasers moyennées à chaque mesure. Nous avons fait varier ce nombre de 1 à 10

118 pour démontrer la capacité de notre système à focaliser rapidement à travers un milieu diffusant. Le nombre de pondérations appliquées à chaque itération reste de 12. Comme précédemment, nous avons utilisé notre système pour focaliser une pulsation laser à travers un échantillon diffusant statique en variant le taux d’optimisation d’un mode de 360 Hz à 3.6 kHz. Pour chaque expérience, les deux AODs sont optimisés (108 modes au total) dix fois (1000 itérations de l’algorithme).

Pour des cadences par mode inférieures ou égales à 720 Hz, les gains obtenus après l’optimisation de 1000 modes sont identiques (voir figure 10.B). Le gain chute ensuite pour des cadences plus rapides en raison du bruit de mesure.

Néanmoins pour un temps d’optimisation donné, ici 300 ms (qui est égal à un temps typique de décorrélation du speckle à travers un milieu biologique), il reste plus avantageux en termes de gain obtenu d’optimiser à la cadence maximale (voir figure 10.A). Certes les mesures effectuées sont plus bruitées mais le nombre de modes optimisés pendant l’intervalle de temps est plus élevé. Un compromis doit être trouvé pour chaque expérience entre bruit de mesure et cadence d’optimisation pour maximiser le gain. Des détecteurs plus performants qu’une photodiode peuvent être utilisés pour diminuer le bruit de mesure. A l’inverse focaliser à travers des milieux plus épais réduira le pourcentage de lumière transmise et diminuera donc le rapport signal sur bruit. A travers de tel milieu, augmenter le nombre de pulses intégrés peut s’avérer nécessaire.

Figure 10. Correction du front d’onde avec deux AODs croisés à différentes cadences d’optimisation. A. Gains obtenus au cours du temps (sur une période de 300 ms) pour des optimisations à des cadences de 3.6 kHz à 360 Hz. A cadence élevée, l’optimisation est plus bruitée ; néanmoins le gain obtenu reste plus important car plus de modes ont été optimisés.

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B. Focus obtenus après l’optimisation de 1000 modes pour différentes vitesses d’optimisation.

A faibles cadences (< 1kHz), les gains finaux obtenus sont similaires. Aux cadences plus élevées les gains finaux chutent en raison d’un rapport signal sur bruit plus faible pendant

l’optimisation.

5.5 Conclusions et perspectives

Nous avons utilisé avec succès deux AODs croisés comme modulateur spatial de lumière pour réaliser une expérience de contrôle de front d’onde. Le système permet de focaliser la lumière à travers un milieu diffusant avec un taux d’optimisation par mode maximum de 3.6 kHz. Ce système présente un nombre de modes relativement faible (108 modes) mais permet néanmoins d’atteindre des gains supérieurs à 30. Ce système de correction du front d’onde semble présenter des caractéristiques suffisantes pour focaliser les photons diffusés à l’intérieur d’un tissu biologique pour la microscopie non-linéaire. De plus, il nous permettra de balayer le focus formé par le simple ajout d’une fréquence constante sur les AODs pour former une image de fluorescence. Ce système d’AODs est donc à la fois l’un des SLMs les plus rapides existant et un système de balayage rapide.

Il ne possède pour l’instant qu’un nombre limité de degré de liberté (54 par AOD). Améliorer la précision d’écriture des synthétiseurs de hautes fréquences utilisés permettra d’augmenter le nombre de pixels de SLM disponibles. Pour un synthétiseur idéal, jusqu’à 340 degrés de liberté seront disponibles par AOD. Les gains obtenus alors après optimisation du front d’onde devraient dépasser la centaine.

Pour l’optimisation, les modes utilisés imposent une déformation de phase sur l’ensemble de la pupille. Il est possible de générer des modes déformant localement la phase. Par exemple, un mode, où une fréquence de F est imposée à un pixel i et une fréquence de –F au pixel i+1, va selon l’équation 5.12 imposer un déphasage local (en forme de triangle). L’utilisation de tels modes pour l’optimisation aurait l’avantage d’appliquer la même déformation au front d’onde pour chacun des modes. Ainsi l’évolution de l’intensité en fonction des pondérations appliquées à chaque itération serait identique et intégrable sur l’électronique FPGA. Néanmoins ces modes nécessitent deux sauts de fréquence les rendant plus sensibles à l’imprécision d’écriture des synthétiseurs de hautes fréquences.

L’utilisation d’un set de modes qui n’est pas une base diminue la vitesse de convergence. Au prochain chapitre, nous allons voir une base de la pupille qui peut être

120 générée avec une paire d’AODs. Nous allons la comparer au set de modes utilisés dans ce chapitre.

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VI Correction du front d’onde en épi-détection

Le dernier défi mais pas le moindre est de focaliser à l’intérieur d’un milieu diffusant (modèle puis in vivo) en optimisant en épi-détection. Pour cela il faut changer le signal de rétroaction car l’intensité d’un unique grain de speckle à l’intérieur du milieu diffusant n’est plus accessible. Comme nous allons le voir, optimiser la fluorescence non linéaire totale émise par un milieu marqué par des fluorophores permet de focaliser à l’intérieur d’un milieu [87].

Plusieurs systèmes basés sur l’optimisation d’un signal non linéaire ont été développés pour la correction du front d’onde pour l’imagerie en profondeur [100,151,152]. La fluorescence non linéaire totale est généralement augmentée de 20 à 50% par ces systèmes de correction du front d’onde. Ces mesures ne sont pas en régime de diffusion multiple : un focus est déjà présent avant optimisation. Le groupe de Meng Cui [153] a aussi utilisé un tel système pour compenser la diffusion multiple induite par un crâne de souris in vivo. Ils ont alors multiplié par un facteur 6 la fluorescence non linéaire émise par des dendrites marquées. Nous avons utilisé le même système de contrôle du front d’onde que celui décrit dans le chapitre précédent [133] (paragraphe 5.3.1) en y modifiant la détection. Dans un premier temps, nous avons utilisé notre système sur des échantillons contrôlés diffusants (couches de parafilm) pour comprendre les paramètres importants du façonnage de front d’onde en épi-détection pour la correction des aberrations et de la diffusion. Finalement nous avons appliqué notre système de correction pour l’imagerie in vivo de cerveaux de souris malgré les difficultés supplémentaires inhérentes à ses expériences : faible niveau de fluorescence émise, photo-blanchiment, artefacts de mouvements…