Soutenance de thèse de Eric Michele FANTUZZI

Ce manuscrit propose deux types de microscopie non linéaires à grand champs. La première est appelée microscopie à diffusion Raman anti-Stokes cohérente à champ large par illumination aléatoire (RIM-CARS). Elle combine l'illumination de speckle dynamique (DSI) et la microscopie à illumination aléatoire (RIM), avec la diffusion Raman anti-Stokes cohérente à grand champ (CARS). Ce faisant, on obtient un microscope à champ large tout en introduisant un sectionnement optique. Dans cette thèse, nous présentons comment appliquer la théorie DSI au CARS. Des simulations numériques et des résultats expérimentaux montrent ainsi que la technique RIM-CARS est effectivement une technique de microscopie à champ large présentant un sectionnement optique. Différents types d'échantillons ont été analysés pour prouver la polyvalence de la technique RIM-CARS : des billes de silice, des vésicules multi-lamellaires, du polystyrène, du polypropylène et de l'eau deutérée. De plus, le CARS combiné à la génération de sommes de fréquences (SFG) a permis d’obtenir des images multimodales d'une section de mastectomie prouvant ainsi son intérêt dans le domaine biomédical. La deuxième technique est appelée microscopie par ptychographie de Fourier à génération de seconde harmonique (FP-SHG). Il s’agit de combiner la ptychographie de Fourier (FP) avec la microscopie SHG. La FP permet de reconstruire une image haute définition d'un objet à partir de plusieurs images, obtenues en l'éclairant l’objet sous différents angles. Ainsi, chaque image contient une petite partie de l’espace fréquentiel total de l’objet. L'image finale est obtenue en recombinant toutes les images enregistrées dans l'espace de Fourier. Ce faisant, on peut alors reconstruire la majeure partie de l'espace des fréquences de l'objet et ainsi obtenir une image haute résolution. L'avantage de combiner le CARS/SHG avec la FP provient de la fonction de transfert optique (OTF) différente qui caractérise ces deux techniques non linéaires par rapport à l'optique linéaire. En effet, les OTF du CARS et du SHG se développent sur des espaces fréquentiels plus larges que les contrastes linéaires (réflectance, fluorescence…), permettant d'obtenir plus d'informations, notamment le long de l'axe z.. L'algorithme utilisé pour reconstruire une image synthétique haute résolution de FP-CARS a ensuite été adapté à la SHG. Enfin, nous présentons le dispositif expérimental FP-CARS utilisé et les premiers résultats expérimentaux obtenus sont rapportés.

Two types of nonlinear wide-field microscopy are proposed in this manuscript. The first is called random illumination wide-field coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy (RIM-CARS) and combines dynamic speckle illumination (DSI) and random illumination microscopy (RIM), with wide-field coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS). In this way, it is possible to obtain a wide-field microscope performing optical sectioning. We show how the theory of DSI, developed initially for fluorescence imaging, can be applied to CARS. Both computational simulations and experimental results are then reported. where we show that RIM-CARS performs a wide-field CARS imaging with optical sectioning. Different types of samples were analysed, such as silica beads, multilamellar vesicles, polystyrene, polypropylene and deuterated water to prove the versatility of the technique. Furthermore, CARS is combined with sum frequency generation (SFG) to obtain multimodal images of a mastectomy section in order to show its applicability in the biomedical field. The second technique is called Fourier ptychography second harmonic generation (FP-SHG) microscopy. IIt combines Fourier ptychography (FP) with SHG microscopy. FP originated as a linear technique capable of reconstructing a high-definition image of an object from several images o obtained with different illumination angles. In FP, each individual image contains a small portion of the object's total frequency space. and the final image is obtained through a reconstruction algorithm that reconstructs most of the object's frequency space and thus obtain a highly resolved image. The advantage of combining CARS/SHG with FP stems from the different optical transfer function (OTF) that characterizes these two nonlinear techniques in comparison to linear optics. Indeed, the OTF of CARS and SHG supports a wider frequency space than linear contrasts (reflectance, fluorescence) thus allowing more information to be obtained, especially along the z-axis. . FP-CARS and FP-SHG algorithms are presented. Finally, we present a FP-CARS experimental setup used and present the first experimental results.