Optimisation de la propagation d’impulsions femtosecondes à travers un milieu diffusant par l’application d’algorithmes de contrôle de la phase

Abstract

La filamentation, un phénomène non-linéaire résultant du passage d’impulsions de hautepuissance dans un milieu optique, est responsable de dommages thérapeutiques similaires à ceux produits par radiothérapie pour le traitement de cellules cancéreuses. La diffusion, omniprésente dans les tissus biologiques, fait concurrence à la focalisation et à la formation de mono-filaments. Il est toutefois possible de compenser les effets liés à la diffusion de la lumière via des techniques de modulation active du front d’onde des impulsions laser femtosecondes. Dans ce document, nous présentons les résultats de l’application d’une technique de modulation active du front d’onde, basée sur l’utilisation d’un dispositif de type modulateur spatial de lumière (SLM), au cas de la filamentation en milieu diffusant. Différents algorithmes de contrôle de la phase incidente ont été testés et l’impact de ceux-ci sur le phénomène de filamentation est analysé en détails. Les résultats principaux montrent que cette approche permet d’optimiser le signal lumineux de contrôle, constitué de la fluorescence d’un colorant (Coumarin 440) ajouté au milieu aqueux test, par rapport au signal de référence obtenu sans modification du front d’onde incident. Les résultats montrent également que la procédure d’optimisation a effectivement réduit la nature granulaire de l’onde en sortie pour tous les milieux diffusant testés, donnant lieu à la génération d’un seul mono-filament dans un volume restreint du milieu cible. L’algorithme de Partition offre une convergence plus rapide vers une solution optimisée et permet une augmentation de signal jusqu’à 5 fois supérieure par rapport à la situation non-optimisée en milieu fortement diffusant (ms = 3,71 cm¯1). Quant à l’algorithme génétique, son efficacité a été démontrée en milieu faiblement diffusant (ms = 1,24 cm¯1), alors qu’il n’a pas réussi à trouver une solution de phase pour des milieux plus diffusants.

Abstract: Filamentation, a non-linear phenomenon resulting from the passage of high-power pulses in an optical medium, is responsible for therapeutic damage similar to that produced by radiotherapy for the treatment of cancer cells. Diffusion, ubiquitous in biological tissues, competes with focusing and mono-filament formation. However, it is possible to compensate for the effects of light scattering via active wavefront modulation techniques of femtosecond laser pulses. In this Master’s thesis, we present the results of the application of an active wavefront modulation technique, based on the use of a spatial light modulator (SLM) type device, in the case of diffusing medium. Different algorithms for controlling the incident phase have been tested and the impact of these on the filamentation phenomenon is analyzed in details. The main results show that this approach makes it possible to optimize a control light signal, consisting of the fluorescence of a dye (coumarin 440) added to the aqueous test medium, relative to the reference signal obtained without modification of the wavefront of the incident beam. The results also show that the optimization procedure effectively reduced the speckle nature of the wave at the output of the scattering medium, giving rise to the generation of a single mono filament. For all the diffusing media tested, a laser mono filament was also successfully optimized in a small volume of the target medium. The Partition algorithm offers a faster convergence to an optimized solution and allows a signal increase up to 5 times higher compared to the non-optimized situation in highly scattering medium (ms = 3.71 cm¯1). As for the genetic algorithm, its effectiveness has been demonstrated in a weakly diffusing medium (ms = 1.24 cm¯1), whereas it has not managed to find a phase solution leading to optimized profile in more diffusing environments.