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UNIVERSIT´ E DE MONTR´ EAL COMPOSANTS EN FIBRE OPTIQUE ` A DOUBLE GAINE POUR L’

UNIVERSIT´ E DE MONTR´ EAL COMPOSANTS EN FIBRE OPTIQUE ` A DOUBLE GAINE POUR L’ENDOSCOPIE ` A FIBRE UNIQUE SIMON LEMIRE-RENAUD D´ EPARTEMENT DE G´ ENIE PHYSIQUE ´ ECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTR´ EAL M´ EMOIRE PR´ ESENT´ E EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLˆ OME DE MAˆ ITRISE ` ES SCIENCES APPLIQU´ EES (G´ ENIE PHYSIQUE) D´ ECEMBRE 2011 c ⃝Simon Lemire-Renaud, 2011. UNIVERSIT´ E DE MONTR´ EAL ´ ECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTR´ EAL Ce m´ emoire intitul´ e : COMPOSANTS EN FIBRE OPTIQUE ` A DOUBLE GAINE POUR L’ENDOSCOPIE ` A FIBRE UNIQUE pr´ esent´ e par : LEMIRE-RENAUD Simon en vue de l’obtention du diplˆ ome de : Maˆ ıtrise ` es sciences appliqu´ ees a ´ et´ e dˆ ument accept´ e par le jury d’examen constitu´ e de : M. TEYSSEDOU Alberto, Ph.D., pr´ esident. Mme. BOUDOUX Caroline, Ph.D., membre et directrice de recherche. M. GODBOUT Nicolas, Ph.D., membre et codirecteur de recherche. M. LESAGE Fr´ ed´ eric, Ph.D., membre. iii ` A maman, papa et petite soeur ; ) ... iv REMERCIEMENTS Ce projet de recherche est le r´ esultat de la collaboration d’´ equipes oeuvrant dans des diciplines distinctes. Sans le travail des membres du Laboratoire d’optique diagnostique et d’imagerie ainsi que ceux du Laboratoire des ﬁbres optiques ce projet n’aurait pas eu lieu. Je souhaite remercier en premier lieu ma directrice de recherche Pr Caroline Bouboux ainsi que mon codirecteur de recherche Pr Nicolas Godbout pour leur encadrement, support et enseignement. Leurs nombreuses contributions et leur int´ erˆ et pour se projet ont garanti sa r´ eussite. Au-del` a de vos contributions scientiﬁques vous avez su m’inculquer des valeurs d’en- traide, de patience et de rigueur que je tenterai ` a mon tour de partager. Je souhaite remercier tous les auteurs des deux articles qui font l’objet des chapitres princi- paux de ce document : Maxime Rivard, Mathias Strupler, Dominic Morneau, Fr´ ed´ eric Ver- pillat, Pr Xavier Daxhelet et Fouzi Benboujja. J’ai grandement appr´ eci´ e travailler avec vous. Vos nombreuses et diversiﬁ´ ees expertises ont rendu ce projet possible. Je souhaite remercier les membres du Laboratoire des ﬁbres optiques Pr. Suzanne Lacroix, Mika¨ el Leduc, Wendy-Julie Madore et Jean-Simon Corbeil. Je vous remercie pour m’avoir rendu accessible le montage de fusion-´ etirage. Je suis concient de la chance que j’ai eue d’avoir acc` es ` a un montage de si grande qualit´ e. Merci pour m’avoir enseigner comment manipuler les ﬁbres et fabriquer des coupleurs. Merci pour toutes les discussions qui m’ont ´ evit´ ees un grand nombre d’erreurs. Je souhaite remercier les membres du Laboratoire d’optique diagnostique et d’imagerie Ka- thy Beaudette, ´ Etienne De Montigny, Romain Deterre et Nadir Goulamhoussen. Vous formez une super ´ equipe. J’ai grandement app´ ecier votre aide et les discussions productives et im- productives. v R´ ESUM´ E Ce m´ emoire porte sur les coupleurs en ﬁbres ` a double gaine. Les ﬁbres ` a double gaine sont une technologie prometteuse pour l’endoscopie ` a ﬁbre unique. Leur gaine double permet plu- sieurs modes d’illumination de l’´ echantillon et de collection de la lumi` ere r´ etrodiﬀus´ ee par l’´ echantillon. La fabrication d’un coupleur achromatique passif en ﬁbre ` a double gaine y est expliqu´ ee. Ce coupleur est obtenu par fusion et ´ etirage de deux ﬁbres ` a double gaine. Le cœur de la ﬁbre est unimodal pour l’utilisation dans l’infrarouge proche (son diam` etre est de 9 mi- crons et son ouverture num´ erique de 0,12). La gaine interne est multimodale (son diam` etre est de 105 microns et son ouverture num´ erique de 0,20). La lumi` ere guid´ ee par le cœur est transmise ` a 95 % dans une des branches du coupleur alors que le signal guid´ e par la gaine interne est statistiquement s´ epar´ e dans les deux branches (40 % est transf´ er´ e vers la seconde ﬁbre du coupleur). En premier lieu, ce coupleur permet d’obtenir simultan´ ement des images ` a partir des signaux unimodal et multimodal de 384 × 384 pixels en temps r´ eel (26 images par secondes) en utilisant un laser ` a balayage en longueur d’onde ` a 1310 ± 40 nm. En com- paraison avec un montage traditionnel utilisant une lame s´ eparatrice, ce coupleur augmente le signal unimodal confocal d´ etect´ e par un facteur 4 et le signal multimodal grand-champ par un facteur 2. Aussi, ce coupleur est plus robuste car moins sensible aux d´ esalignements dus aux vibrations et aux transports que le montage utilisant une lame s´ eparatrice en propaga- tion libre. Le signal multimodal a un contraste de tavelure (speckle) r´ eduit par un facteur 5. De plus, en utilisant un interf´ erom` etre de Mach-Zehnder dans le circuit unimodal, une re- construction du proﬁl tridimensionnel de l’´ echantillon est possible. En superposant le signal de r´ eﬂectance multimodal avec le proﬁl tridimensionnel de l’´ echantillon une reconstruction st´ er´ eoscopique est obtenue. Finalement, ce coupleur a ´ et´ e adapt´ e ` a l’endomicroscopie confocale en eﬃlant la ﬁbre ` a l’entr´ ee du bras d’imagerie dans le but de r´ eduire l’aire de collection multimodale. Cette ﬁbre eﬃl´ ee ` a double gaine intrins` equement achromatique est compatible avec le coupleur en ﬁbre ` a double gaine et permet plusieurs modes d’illumination et de d´ etection selon le Ratio Inverse d’Eﬃlage (RIE). En choisissant le bon RIE, la r´ eponse impulsionnelle d’un microscope confocal ` a encodage spectral peut ˆ etre optimis´ ee selon que l’on privil´ egie la r´ esolution axiale, le rapport signal sur bruit ou la r´ eduction du contraste de tavelure. En comparaison avec le signal unimodal, le signal multimodal a montr´ e une r´ eduction du contraste de tavelure par un facteur 3, une augmentation du signal par un facteur 5,5 tandis que le sectionnement optique a ´ et´ e augment´ e que d’un facteur 1,7. vi ABSTRACT Double-Clad Fibres (DCFs) are a promising technology for single ﬁbre endoscopy as their two claddings enable diﬀerent injection/collection modes. The fabrication of a passive achromatic Double-Clad Fibre Coupler (DCFC) is explained and demonstrated in this master’s thesis. Its application to Spectrally Encoded Endoscopy (SEE) is shown in a spectrally encoded benchtop setup. This coupler is obtained by fusing and tapering two DCFs. The core of the DCF is Single-Mode (SM) in the near infrared (9 microns diameter, NA = 0.12) and the inner cladding is Multimode (MM) (105 micron diameter, NA = 0.20). The fundamental mode is kept in the same branch of the coupler (same ﬁbre) (transmission of 95 %) while the inner cladding modes are statistically separated in each branch (40 % is transmitted in the other ﬁbre). First, this coupler is used to obtain simultaneously SM and MM SEE 384×384 images in real time (26 fps) with a rapidly wavelength swept laser at 1310 ± 40 nm. In comparison with a traditional beam-splitter approach, the coupler increases the collected confocal SM signal by a factor 4 and the wide-ﬁeld MM signal by a factor 2. Additionally, the DCFC is less sensitive to misalignments due to vibrations and transportation than the free space beam-splitter approach. The MM signal has a speckle contrast 4.6 times lower than the confocal SM signal. Also, using an all-ﬁbre Mach-Zehnder interferometer in the SM path, a stereoscopic reconstruction equivalent have been obtained by superimposing the MM reﬂectance signal with the interferometric 3D reconstruction. Moreover, a Double-Clad Tapered Fibre (DCTF) for confocal endomicroscopy is demon- strated. This inherently achromatic DCTF, compatible with the DCFC, allows many injec- tion/collection modes depending on the ﬁnal Inverse Taper Ratio (ITR). The point spread function of a spectrally encoded confocal microscope is optimized with the proper ITR. Com- pared to the SM signal, the MM signal showed a 3 times reduction in speckle contrast and a 5.5 times increase in signal collection while only increasing the optical sectioning by a factor of 1.7. vii TABLE DES MATI` ERES D´ EDICACE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii REMERCIEMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv R´ ESUM´ E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . uploads/Science et Technologie/ 2011-simonlemirerenaud.pdf