Cette thèse présente l'utilisation d'impulsions ultracourtes pour des expériences de microscopie non-linéaire et d'optique quantique. Dans un premier temps, nous exposerons plusieurs techniques de façonnage d'impulsions et nous détaillerons en particulier le fonctionnement et la caractérisation de notre dispositif de façonnage. Nous étudierons l'utilisation d'un masque de phase 2D diffractif adressé optiquement qui permet un façonnage à la fois en phase et en amplitude spectrale. Par la suite, nous verrons comment le façonnage d'impulsions ultra-courtes peut être un outil efficace pour sélectionner les fluorophores excités en microscopie à deux photons. Pour cela, nous présenterons une expérience de contrôle cohérent de l'absorption à deux photons dans un embryon de drosophile vivant avec notre système de façonnage programmable. Ensuite nous décrirons un schéma de façonnage simplifié à base de prismes, qui, conjointement avec une approche de multiplexage temporel des impulsions, permet d'imager simultanément plusieurs fluorophores. Enfin, nous discuterons l'utilisation d'impulsions ultracourtes pour des expériences de mesures de temps et de dispersion à la limite quantique. Nous détaillerons en particulier une étude théorique et expérimentale d'un système de façonnage original à base de matériaux biréfringents pour produire la dérivée temporelle d'un champ électrique ou bien la dérivée temporelle de son enveloppe.

Ce projet de recherche conjugue deux aspects complémentaires : le développement d’un montage de microscopie intégrant un système d'Optique Adaptative (OA) et l’étude de masses cancéreuses (Sphéroïdes Multicellulaires) sous pression mécanique.Ces deux axes seront mutuellement bénéfiques puisque l’implémentation de l’OA rendra possible l’imagerie et les mesures physiques au sein des sphéroïdes ; d’un autre côté, l’étude des sphéroïdes permettra de caractériser les aberrations induites par ce type d’échantillons et de mieux comprendre les exigences sur le système d’OA qu’imposent l’observation de ces échantillons ainsi que les limites de la microscopie optique dans les tissus biologiques. / This research project combines two complementary aspects: the development of an assembly incorporating an Adaptive Optics microscope system and the study of cancerous masses (multicellular spheroids) under mechanical pressure.These two axes are mutually beneficial since the implementation of the adaptive optics will enable imaging and physical measurements in spheroids; On the other hand, the study of spheroids will characterize the aberrations induced by this type of samples and understand the requirements of the adaptive optics system imposed by the observation of these samples as well as the limits of optical microscopy in biological tissues.

Les techniques de microscopie non linéaire connaissent un essor considérable ensciences du vivant, du fait de leur capacité à imager les tissus biologiques en profondeur et àexploiter différents contrastes dont les plus connus sont la fluorescence excitée à deux photons(2PEF) et la génération de second harmonique (SHG).Ce travail de thèse 'articule autour de la métrologie de milieux diffusants et d'applicationsbiomédicales de la microscopie non linéaire. Après une présentation générale de la technique, nousdécrivons une méthode originale de mesure du coefficient de diffusion μs et du facteur d'anisotropieg de milieux turbides épais basée sur la comparaison des intensités de fluorescence épi-collectéesselon trois modalités de notre microscope non-linéaire. Notre méthode est alors appliquée à lacaractérisation de gels biomimétiques et d'échantillons d'intérêt biologique. Le manuscrit abordeensuite le problème de l'imagerie en profondeur d'explants de peau humaine ré-innervée par desneurones sensoriels de rats nouveau-nés. Le choix du marqueur neuronal fluorescent fait l'objetd'une mesure in situ de la section efficace d'absorption à deux photons de différents fluorophores.La faisabilité d'une imagerie bimodale exploitant la fluorescence de ce marqueur et la réponse SHGdu collagène fibrillaire du derme est démontrée. Le manuscrit s'achève par une étude faisant suiteà des travaux de thèse antérieurs relatifs à la quantification de la fibrose hépatique par microscopieSHG/2PEF couplée. Nous appliquons la méthode de scoring SHG développée précédemment àune cohorte de patients infectés par le virus de l'hépatite C et comparons nos résultats aux testsMETAVIR et Ishak.

L'hippocampe, structure cérébrale située dans le lobe temporal, est au coeur de la gestion de nombreuses fonctions cognitives comme l'encodage des informations spatiotemporelles ou encore la mémoire épisodique. A l'heure actuelle, l'hippocampe est étudié via de nombreuses méthodes notamment l'imagerie de fluorescence qui, utilisée sur des animaux éveillés, permet d'accéder au fonctionnement du réseau neuronal. Malgré cela, une sous-région : le gyrus denté a encore un rôle mal élucidé car profondément enfoui dans le cerveau. Son étude permettrait d'apporter de nouveaux éléments sur le fonctionnement de l'hippocampe. De part sa profondeur d’environs 1 mm, son imagerie demeure très difficile. En effet, la diffusion ainsi que les aberrations optiques introduites par les couches successives de matière dégradent fortement la qualité d'imagerie. Pourtant l'optique adaptative, une technique héritée de l'astronomie, pourrait changer cela. En l'intégrant à un microscope bi-photon, il serait possible de compenser les aberrations optiques introduites par le cerveau et ainsi d'arriver à effectuer l'imagerie in vivo du gyrus denté. Durant ma thèse, j'ai donc travaillé à la conception complète tant du point de vue matériel que logiciel d'un microscope bi-photon adapté à l'imagerie in vivo et équipé d'un dispositif de correction de front d'onde. J'ai également développé une méthode d'optimisation prometteuse basée sur l'approche modale de la correction des aberrations optiques couplée à l'utilisation d'une métrique adaptée à l'imagerie non-linéaire en profondeur. Enfin, j'ai pu appliquer cette méthode dans des conditions in vitro et in vivo permettant de montrer son efficacité. / The hippocampus, a cortical structure located in the temporal lobe, is at the heart of the management of many cognitive functions such as spatiotemporal information encoding or episodic memory. At present, the hippocampus is studied through many methods including fluorescence imaging, and used on awake animals, allows access for the study of the neural network function. Despite this, a sub-region: the dentate gyrus has still a poorly elucidated role because it is deeply buried in the brain. His study would bring new elements on the hippocampus functioning. Due to its depth of about 1 mm, its imagery remains very difficult. Indeed, scattering as well as optical aberrations introduced by the successive layers of matter strongly degrade the imaging quality. Yet adaptive optics, a technique inherited from astronomy, could change that. By integrating it into a bi-photon microscope, it would be possible to compensate optical aberrations introduced by the brain and thus to achieve the in vivo imaging of the dentate gyrus. During my PhD, I worked on the complete design both in hardware and software of a bi-photon microscope suitable for in vivo imaging and equipped with a wavefront correction device. I also developed a promising optimization method based on the modal approach of optical aberration correction coupled with the use of a metric adapted to nonlinear depth imaging. Finally, I was able to apply this method in in vitro and in vivo conditions to show its effectiveness.

La technique de spectroscopie basée sur la diffusion Raman Stokes spontanée est un procédé standard employé dans de nombreux domaines allant de la thermodynamique à la médecine, en passant par la science des matériaux. À la faveur d'un échange d'énergie inélastique, elle permet de déterminer les fréquences des vibrations moléculaires présentes dans un objet. On peut ainsi remonter à l'identification des molécules et ainsi caractériser l'objet d'étude sans utiliser de marqueur spécifique. Cette méthode est néanmoins affligée de défauts. Outre la présence d'un signal de fluorescence qui peut submerger la réponse Raman, le désavantage majeur est le long temps d'exposition que requière cette technique. Dans le cas d'étude d'échantillon biologique, cela proscris son usage pour des mesures de microspectroscopie : la cartographie spectrale d'objet microscopique. Afin de pallier ce problème, de nouvelles techniques ont été développées. C'est le cas de la spectroscopie employant la diffusion Raman anti-Stokes Cohérente (ou CARS pour Coherent Anti-Stokes Raman Scattering). Du fait de sa cohérence et de sa directivité le signal anti-Stokes affiche une intensité 10^5 to 10^6 fois plus importante que dans le cas de la diffusion Raman spontanée, ce qui permet alors d'abaisser le temps d'exposition à un niveau tolérable pour les objets biologiques lors d'une mesure de microspectroscopie. De plus, le caractère anti-Stokes du signal l'épargne de la contribution de la fluorescence. Pourtant, un défaut majeur limite encore l'utilisation de cette technique : le bruit de fond non résonant. Ce phénomène peut diminuer, voir noyer la contribution résonante qui porte l'information. Cette thèse a permis le développement de techniques CARS autorisant une réduction du bruit de fond non résonant. Pour ce faire un dispositif de spectroscopie CARS multiplex (M-CARS) en configuration copropagative a été construit. Ses capacités sont illustrées par des mesures spectrales d'échantillons minéral, végétal et biologique. À partir de ce système, il a été établi une méthode innovante permettant de discriminer le signal résonant du bruit non résonant en utilisant un champ électrique continu. Il est aussi démontré la mise en place d'un procédé qui a permis de mener la première mesure de microspectroscopie M-CARS en configuration contrapropagative sur un échantillon biologique. Cette configuration limite la collecte du signal à l'objet d'étude, empêchant ainsi l'acquisition du signal résonant et non résonant issu du solvant, principal responsable du bruit de fond non résonant lors d'une mesure CARS en configuration copropagative. / The spectroscopy technique based on spontanée Raman Stokes scattering is a standard process used in many fields spanning from thermodynamic and medicine, to materials sciences. An inelastic energy exchange permits to determinate the frequency of the molecular vibrations in an object. One can identify the molecules and thus, can characterize the object of study in a label-free way. Nevertheless, this method is afflicted with faults. Beside the presence of fluorecence that can drown the Raman answer, the main drawback is the long exposition time required. In the case of biological sample, this can prohibit the use of spontaneous Raman scattering for microspectroscopy measures: the spectral mapping of microscopic objects. To avoid this problem, new techniques have been developed. It is the case of Coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) spectroscopy. Due to its coherence and its directivity, the anti-Stokes signal has an intensity 105 to 106 times greater than the spontaneous Raman scattering one. The exposition time is then reduced to a tolerable level for biological objects during microspectroscopy measures. Moreover, the anti-Stokes characteristic of the signal prevents the fluorescence contribution. However, a major fault still limits the use of this technique: the nonresonant background. This phenomenon can diminish, even overwhelm the resonant contribution carrying the information. This thesis permitted the development of CARS approaches that allow the reduction of the nonresonant background. To do so, a multiplex CARS (M-CARS) spectroscopy apparatus in a forward configuration has been built. Its abilities are illustrated with spectral measures of mineral, vegetal and biological samples. Based on this system, it has been established an innovative method that can discriminate the resonant signal from the nonresonant one thanks to a static electric field. It has been also been demonstrated the development of a process that has allowed the first M-CARS microspectroscopy measure of a biological sample in a contrapropagative configuration. This setup limits the collect of the signal to the object of study, avoiding the acquisition of the resonant and resonant signals coming from the solvent, responsible for the major part of non resonant background during a CARS measure in a forward configuration.

La microscopie par diffusion Raman Coh´erente Anti-Stokes (CARS) est une<br />m´ethode r´ecente d'imagerie dont le contraste provient de l'excitation r´eso-<br />nante s´elective de vibrations mol´eculaires intrins`eques d'une liaison ou d'un<br />ensemble de liaisons chimiques. Cette technique pr´esente l'avantage de s'af-<br />franchir de tout marqueur fluorescent qui peut ˆetre toxique pour un orga-<br />nisme biologique vivant. Elle permet aussi d'avoir une tr`es grande sensibilit´e<br />et une forte r´esolution spatiale, comparable `a celle de la microscopie confo-<br />cale. Le travail de cette th`ese concerne la r´ealisation d'un microscope CARS,<br />et sa mise en application `a diff´erents domaine de l'imagerie bio-m´edicale. Des<br />´etudes ont ´et´e men´ees d´emontrant les potentialit´es de cet outil, ainsi que sa<br />caract´erisation dans le domaine spatiale et spectral.

Les techniques de microscopie non linéaire connaissent un essor considérable ensciences du vivant, du fait de leur capacité à imager les tissus biologiques en profondeur et àexploiter différents contrastes dont les plus connus sont la fluorescence excitée à deux photons(2PEF) et la génération de second harmonique (SHG).Ce travail de thèse ’articule autour de la métrologie de milieux diffusants et d’applicationsbiomédicales de la microscopie non linéaire. Après une présentation générale de la technique, nousdécrivons une méthode originale de mesure du coefficient de diffusion μs et du facteur d’anisotropieg de milieux turbides épais basée sur la comparaison des intensités de fluorescence épi-collectéesselon trois modalités de notre microscope non-linéaire. Notre méthode est alors appliquée à lacaractérisation de gels biomimétiques et d’échantillons d’intérêt biologique. Le manuscrit abordeensuite le problème de l’imagerie en profondeur d’explants de peau humaine ré-innervée par desneurones sensoriels de rats nouveau-nés. Le choix du marqueur neuronal fluorescent fait l’objetd’une mesure in situ de la section efficace d’absorption à deux photons de différents fluorophores.La faisabilité d’une imagerie bimodale exploitant la fluorescence de ce marqueur et la réponse SHGdu collagène fibrillaire du derme est démontrée. Le manuscrit s’achève par une étude faisant suiteà des travaux de thèse antérieurs relatifs à la quantification de la fibrose hépatique par microscopieSHG/2PEF couplée. Nous appliquons la méthode de scoring SHG développée précédemment àune cohorte de patients infectés par le virus de l’hépatite C et comparons nos résultats aux testsMETAVIR et Ishak. / Nonlinear microscopy techniques are experiencing a considerable growth in lifescience, thanks to their ability to image biological tissues at high depth with different contrastssuch as two-photon excitation fluorescence (2PEF) and second harmonic generation (SHG).This manuscript focuses on metrology of scattering media and on biomedical applications ofnonlinear microscopy. After an overview of the technique, we describe a novel method for measuringthe scattering coefficient μs and anisotropy factor g of thick turbid media based on the comparisonof fluorescence intensities epi-collected through the three modalities of our nonlinear microscope.Our method is then applied to biomimetic gels and to biological samples. The manuscript thentackles the problem of imaging deeply human skin explants re-innervated by sensory neurons fromneonatal rats. The choice of the fluorescence probe is the subject of an in situ measurement ofthe two-photon action cross-sections of various fluorophores. The feasibility of bimodal nonlinearimaging of re-innervated skin explants based on the 2PEF signal of the molecular probe and onthe SHG response of fibrillar collagen of the dermis is demonstrated. The manuscript ends witha study subsequent to the work of previous thesis regarding the quantification of liver fibrosisby SHG/2PEF microscopy. We apply the method of fibrillar collagen scoring by SHG previouslydeveloped to a new cohort of patients infected with hepatitis C virus and we analyze our resultsin terms of METAVIR and Ishak tests.

L’imagerie polarimétrique permet d’estimer certaines caractéristiques d’un milieu qui peuvent ne pas être révélées par imagerie d’intensité standard. Cependant, les mesures effectuées peuvent être fortement perturbées par des fluctuations inhérentes aux processus physiques d’acquisition. Ces fluctuations sont difficiles à atténuer, notamment à cause de la fragilité des milieux observés ou de l’inhomogénéité des images acquises. Il est alors utile de caractériser la précision des estimations qu’il est possible d’obtenir. Dans cette thèse, cette question est abordée au travers de deux applications d’imagerie polarimétrique : la microscopie non-linéaire de second harmonique résolue en polarisation (PSHG) pour l’analyse de l’organisation structurale d’objets biomoléculaires, et l’imagerie radar polarimétrique interférométrique à synthèse d’ouverture (PolInSAR) pour l’estimation des paramètres du couvert forestier. Pour la première application, la précision d’estimation en présence de bruit de Poisson est caractérisée pour l’ensemble des assemblages moléculaires présentant une symétrie cylindrique, ce qui permet notamment d'aboutir à une procédure de détection des mesures qui ne permettent pas d’atteindre une précision d’estimation requise. Pour l’imagerie PolInSAR, on analyse une modalité d'acquisition intéressante pour les futures missions satellitaires. En particulier, on étudie dans ce contexte la précision d'estimation de la hauteur de végétation en présence de bruit de speckle en s'appuyant sur l'analyse du contraste polarimétrique. Une interprétation simple des comportements de cette modalité d'acquisition est obtenue dans la sphère de Poincaré. / Polarimetric imaging allows one to estimate some characteristics of a medium which might not be revealed by standard intensity imaging. However, the measurements can be strongly perturbed by fluctuations that are inherent in the physical acquisition processes. These fluctuations are difficult to attenuate, for instance because of the fragility of the observed media or because of the inhomogeneity of the obtained images. It is then useful to characterize the estimation precision that can be reached. In this thesis, this question is addressed through two polarimetric imaging applications: polarized-resolved second-harmonic generation non-linear microscopy (PSHG) for the analysis of the structural organization of biomolecular objects, and polarimetric interferometric synthetic aperture radar imaging (PolInSAR) for the estimation of vegetation parameters. For the first application, the estimation precision in the presence of Poisson noise is characterized for any molecular assembly that presents a cylindrical symmetry. This study results in particular in a procedure to detect the measurements that do not lead to a required precision. For PolInSAR imaging, we analyze an acquisition system that is interesting for future spatial missions. In particular, the estimation precision of the vegetation height is studied in this context in the presence of speckle noise by relying on the analysis of the polarimetric contrast. A simple interpretation of the behavior of this acquisition system is obtained in the Poincaré sphere.

La microscopie non-linéaire résolue en polarisation est un outil puissant pour accéder à des informations structurelles dans les assemblages biomoléculaires. Les interactions non-linéaires entre matière et lumière induisent des processus complexes où des champs électromagnétiques cohérents interagissent avec les dipôles de transitions moléculaires. Le contrôle de la polarisation des champs électromagnétiques excitateurs et l’étude des réponses non-linéaires induites procurent de riches informations sur la distribution angulaire des molécules présentes dans le volume focal de l’objectif du microscope. Dans cette thèse, nous appliquons cette sensibilité à la polarisation à plusieurs modalités de microscopie cohérentes sans marquage (diffusion cohérente Raman anti-Stokes (CARS), diffusion Cohérente stimulée (SRS)) et à la fluorescence à deux photons (2PEF) afin d’obtenir des informations quantitatives sur la forme de la distribution moléculaire et l’orientation des lipides dans les membranes artificielles, ainsi que dans les membranes biologiques telles que la myéline des tissus de la moelle épinière. Avec cette technique, nous adressons une question fondamentale sur le comportement des ensembles lipidiques dans les membranes et sur l’effet d’autres molécules telles que le cholestérol et les marqueurs fluorescents. Nous démontrons que le CARS résolu en polarisation permet d’accéder à de fines informations sur l’organisation des lipides dans les membranes de la myéline, en deçà de la limite de diffraction. / Polarization resolved nonlinear microscopy is a powerful tool to image structural information in biomolecular assemblies. Nonlinear interaction between light and matter lead to complex processes where coherent combinations of optical fields couple to assemblies of molecular transition dipoles. Controlling polarized optical fields and monitoring nonlinear induced signals in a medium can nevertheless bring rich information on molecular orientational organization within the focal spot of a microscope objective. In this PhD thesis we apply this polarization sensitivity to different label-free optical coherent techniques (coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS), stimulated Raman scattering (SRS)) and to two-photon fluorescence (2PEF) to retrieve quantitative information on the static molecular distribution shape and orientation of lipids in model membranes and biological membranes such as myelin sheaths in spinal cord tissues. With this technique, we address fundamental questions about lipid packing behavior in membranes, and how it can be affected by other molecules such as cholesterol and the insertion of fluorescent lipid probes. We demonstrate that polarization resolved CARS give access to fine details on lipids arrangement in myelin sheaths, at a sub-diffraction scale. In the context of experimental autoimmune encephalomyelitis disease (EAE) we show, that even at the stage of disruption of the myelin envelope during the demyelination process, lipids multilayers reveal strong capability to preserve their macroscopic self-assembly into highly organized structures, with a degree of disorganization occurring only at the molecular scale.

Nous avons développé une méthodologie basée sur phénomène de mélange à quatre ondre polarimétrique « Four wave Mixing FWM » et son équivalen résonant la diffusion Raman cohérente anti-Stokes (CARS, Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) polarimétrique et réalisé des mesures sur des systèmes cristallins, simili biologiques : les membranes cellulaires connues sous le nom de « Multilamellar Vesicles MLV » et des échantillons de biologiques : la myeline, et ce, en variant les polarisations des lasers excitateurs, Pompe et Stokes. Le signal anti-Stokes émis est ensuite analysé afin d’en extraire les ordres 2 et 4 de la fonction de distribution angulaire des molécules actives constituant l’échantillon. Pour cela, plusieurs approches sont explorées telles que des algorithmes d’optimisation ou par décomposition en série de fourrier du signal polarimétrique. Ces multiples approches en traitement du signal permettent d’obtenir de manière rapide les coefficients des fonctions de distribution angulaire recherchées, et ainsi d’avoir des informations sur la symétrie des échantillons imagés, allant jusqu’à l’observation d’une symétrie d’ordre 4. La capacité de la microscopie non linéaire résolue en polarisation à sonder des ordres moléculaires est clairement démontrée et ainsi son intérêt dans l’étude de la relation entre la structure et la fonction de systèmes biologiques. / The capacity to quantify molecular orientational order in tissues is of a great interest since pathologies (skin lesion, neurodegenerative diseases, etc) can induce strong modifications in proteins’ organization. While numerous studies have been undertaken using polarization resolved second order nonlinear optical microscopy which is only specific to non-centrosymmetric organizations, higher order effects have been less explored. Four-wave mixing (FWM) microscopy and its resonant counterpart coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) can be of a great utility as label free diagnosis tools benefiting from less constraining symmetry rules. In this work, we implement incident polarizations tuning in FWM and CARS microscopy to probe molecular order, using a generic method to read-out symmetry information.Fourier analysis of the polarization-resolved FWM/CARS signal processed with an analytical model provides a fast and direct determination of the symmetry orders of the distribution function of the probed molecules. This method does not require a priori knowledge of the organization structure and provides quantitatively its second and fourth order symmetries. We applied this technique on different systems, from crystalline to less organized (multilamellar vesicles and proteins aggregates). We show that this new approach brings additional and more refined information on supra-molecular structures in complex media.